一种减小流阻的航行器及其加工方法与流程

本发明涉及航行器，尤其是一种减小流阻的航行器及其加工方法。

背景技术：

1、深远海水下立体攻防作战中，迫切需要发展具有海战场水下目标长时间隐蔽侦察监视能力的水下无人装备。续航力仍然是制约目前无人水下航行器(unmanned underwatervehicles，uuv)作战能力的关键，也是先进水下无人装备所追求的技术目标。当前研制的水下航行器续航力仍亟需进一步提升其续航力，可以说续航力已成为制约长续航水下大型仿生uuv发展的瓶颈难题。然而受到航行体结构尺寸的限制，无法通过增加动力储备的方式来进一步提升续航力，因此如何减小流动阻力成为了人们研究的重点。

2、目前的减阻技术分为主动减阻和被动减阻技术。对于前者，主要有气泡减阻、振动变形减阻技术等。所谓气泡减阻，即在船舶底部喷射气泡，使得船舶与水面之间的摩擦减小，从而达到减小阻力的目的；对于振动变形减阻，通过对航行器表面开展主动简谐振动，使得航行器表面脉动压力减小，从而达到降低湍动能和阻力的目的。对于被动减阻技术，其无需外部能量输入，目前主要有柔性表皮减阻、微沟槽减阻以及粘液减阻等。对于柔性表皮减阻，通过在船舶或水下航行体表面铺设柔性覆盖层，达到缓冲流动冲击，减小流动阻力的目的；对于微沟槽减阻，即在运动物体表面开设微型沟槽，使得壁面剪切应力减小，降低摩擦阻力。

3、上述减阻方法已被证实具有一定的减阻效果，最大减阻率为3％-17％，但是减阻率达不到预期要求。

4、为此我们提出一种减小流阻的航行器及其加工方法。

技术实现思路

1、本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种减小流阻的航行器及其加工方法，通过针对航行器不同位置设置不同长度、密度和倾斜角度的绒毛结构，从而降低了运行的阻力，提高了航行的效率。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种减小流阻的航行器，包括艏部、舯部、艉部，以及在所述艏部、舯部、艉部上附着的绒毛结构；

4、所述艏部的绒毛结构长度均匀，绒毛结构垂直于连接面，且绒毛结构覆盖密度不低于艏部表面积的80％，且长度控制在0.01-0.02d，d为艏部直径；

5、所述舯部的绒毛结构长度与艏部相同，绒毛结构垂直于连接面，绒毛结构覆盖密度不低于舯部表面积的60％；

6、所述艉部的绒毛结构长度不等且越靠近末端越长，覆盖密度不低于艉部表面积的80％，且长度控制在0.04-0.10d。

7、进一步的，还包括附体，其连接在舯部的侧壁上，且在附体的表面上布置有绒毛结构。

8、进一步的，所述绒毛结构的弹性模量大于0.4mpa，且沿绒毛根部至艏部逐渐减小，根部弹性模量约为20mpa。

9、进一步的，所述绒毛结构的泊松比小于0.30。

10、进一步的，所述绒毛结构的表面与液体形成的接触角θ大于或等于120°。

11、一种减小流阻的航行器的加工方法，用于加工上述的航行器，包括如下步骤：

12、s1.根据设计图纸完成航行器制造；

13、s2.选材，包括材料选择与参数设定以及加工方法，确保绒毛结构的弹性模量和泊松比满足特定要求，并选择防水材料制作，确保疏水角不小于120°；

14、s3.绒毛装置的安装，包括油漆喷涂与绒毛铺设，以及绒毛的固定与成型；

15、s4.根据航行器不同部位的流动阻力特性，对绒毛的长度和密度进行优化设计。

16、进一步的，所述绒毛结构采用3d打印技术结合特定软件制作，并调整材料参数以实现精确打印。

17、进一步的，s3中在油漆喷涂过程中，每次喷涂厚度约为5-10mm，且绒毛铺设后通过油漆喷涂固定成型。

18、进一步的，在艏部和艉部的铺设密度不低于80％s(s为对应区域的表面积)，舯部的铺设密度不低于60％。

19、进一步的，所述艉部的绒毛结构倾斜设置并贴近航行器中心线。

20、本发明的有益效果如下：

21、本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过通过模仿海獭表面绒毛结构，设计并应用了一种可应用于水下航行器的绒毛减阻装置。通过针对航行器不同位置设置不同长度、密度和倾斜角度的绒毛结构，从而降低了运行的阻力，提高了航行的效率，同时该技术具有被动减阻、无需额外能量输入、减阻机理复杂、减阻效果好、适用范围广以及加工技术难度低等优点，具有广阔的市场前景和应用潜力。

22、同时，本发明还具备如下优点：

23、1.被动减阻，无需额外能量输入，本发明提出的绒毛减阻技术属于被动控制领域，无需外部能量输入，即可实现显著的减阻效果。这一特点使得该技术在实际应用中更加经济、环保，且易于维护。

24、2.减阻机理复杂，减阻效果好，绒毛的被动变形不仅减缓了流体速度，降低了湍动能，这一显著的减阻效果主要归功于绒毛的被动变形能力，它既能减缓流体速度，降低湍动能，还通过改变摩擦方式和利用多相耦合效应，实现了多机理减阻，从而大幅降低总阻力。这种复杂的减阻机理使得本发明的减阻效果尤为显著，本发明提出的绒毛减阻技术与光滑平板相比，减阻率可达25％以上。

25、3.本发明的减阻技术不仅适用于开阔水域场景，如水面船舶、水下航行器、航空器等。这一广泛的适用性使得本发明具有广阔的市场前景和应用潜力。

26、4.加工技术难度低，易于实施，与传统的微沟槽减阻和柔性表皮减阻技术相比，本发明的绒毛减阻技术加工难度较低，对加工技术的要求不高。通过观察海獭表面绒毛结构可以发现，绒毛表面光滑度较低且排布稀疏程度较为混乱，因此在加工绒毛装置时，仅需要对其弹性模量和泊松比进行控制即可。这一特点使得本发明在实际应用中更加易于实施和推广。

技术特征：

1.一种减小流阻的航行器，其特征在于，包括艏部(1)、舯部(2)、艉部(3)，以及在所述艏部(1)、舯部(2)、艉部(3)上附着的绒毛结构(5)；

2.如权利要求1所述的一种减小流阻的航行器，其特征在于：还包括附体(4)，其连接在舯部(2)的侧壁上，且在附体(4)的表面上布置有绒毛结构(5)。

3.如权利要求2所述的一种减小流阻的航行器，其特征在于：所述绒毛结构(5)的弹性模量大于0.4mpa，且沿绒毛根部至艏部逐渐减小，根部弹性模量约为20mpa。

4.如权利要求1所述的一种减小流阻的航行器，其特征在于：所述绒毛结构(5)的泊松比小于0.30。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种减小流阻的航行器，其特征在于：所述绒毛结构(5)的表面与液体形成的接触角θ大于或等于120°。

6.一种减小流阻的航行器的加工方法，其特征在于，用于加工如权利要求1-5任一项的航行器，包括如下步骤：

7.如权利要求6所述的一种减小流阻的航行器的加工方法，其特征在于：所述绒毛结构(5)采用3d打印技术结合特定软件制作，并调整材料参数以实现精确打印。

8.如权利要求6所述的一种减小流阻的航行器的加工方法，其特征在于，s3中在油漆喷涂过程中，每次喷涂厚度约为5-10mm，且绒毛铺设后通过油漆喷涂固定成型。

9.如权利要求8所述的一种减小流阻的航行器的加工方法，在艏部(1)和艉部(3)的铺设密度不低于80％s(s为对应区域的表面积)，舯部(2)的铺设密度不低于60％。

10.如权利要求7-9任一项所述的一种减小流阻的航行器的加工方法，所述艉部(3)的绒毛结构(5)倾斜设置并贴近航行器中心线。

技术总结
本发明涉及一种减小流阻的航行器及其加工方法，包括艏部、舯部、艉部，以及在所述艏部、舯部、艉部上附着的绒毛结构；所述艏部的绒毛结构长度均匀，绒毛结构垂直于连接面，且绒毛结构覆盖密度不低于艏部表面积的80％，且长度控制在0.01‑0.02D，D为艏部直径；所述舯部的绒毛结构长度与艏部相同，绒毛结构垂直于连接面，绒毛结构覆盖密度不低于舯部表面积的60％；所述艉部的绒毛结构长度不等且越靠近末端越长，覆盖密度不低于艉部表面积的80％，且长度控制在0.04‑0.10D。本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过通过模仿海獭表面绒毛结构，设计并应用了一种可应用于水下航行器的绒毛减阻装置。

技术研发人员：李永成,张华,张楠,孙海浪,张明辉,潘子英
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5