本發(fā)明涉及一種水下航行器，尤其涉及一種柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的水下航行器多采用螺旋槳作為推進(jìn)器，此類水下航行器具有結(jié)構(gòu)可靠、航速快、效率高的優(yōu)點，但在機動性和隱蔽性上稍有欠缺。為了提高水下航行器的機動性和隱蔽性，人們研制了多種仿生推進(jìn)器。水下仿生推進(jìn)器按照模仿的生物游動方式可分為BCF(Body and/or Caudual Fin，身體尾鰭)模式和MPF(Median and/or Pectoral Fin，中間鰭/對鰭)模式。其中，MPF模式的仿生推進(jìn)器具有推力穩(wěn)定(瞬時推力波動幅度小)和雙向推進(jìn)不分頭尾(前進(jìn)和后退原理相同)的特點，從而成為一個研究熱點。我國的國防科技大學(xué)、新加坡的南洋理工大學(xué)、美國西北大學(xué)等均針對此種推進(jìn)方式制作了模型樣機。

MPF模式的推進(jìn)器依靠身體或長鰭的波動產(chǎn)生推力，眾多學(xué)者對其物理原理進(jìn)行了研究，如Lighthill提出了二維波動板理論，童秉綱院士進(jìn)一步提出了三維波動板理論等。在研究中發(fā)現(xiàn)，長鰭波動推進(jìn)時，會在側(cè)向(垂直于身體縱剖面或鰭面)產(chǎn)生比推力更大的作用力，增加了能量耗散，導(dǎo)致其推進(jìn)效率比較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能有效提高推進(jìn)效率的柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明的柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器，包括導(dǎo)流外殼，所述導(dǎo)流外殼內(nèi)設(shè)有電機和相位鎖定環(huán)，所述相位鎖定環(huán)內(nèi)縱向設(shè)有相位鎖定桿和相位鎖定桿加強塊，所述相位鎖定環(huán)的端部設(shè)有相位鎖定環(huán)端內(nèi)齒輪，所述相位鎖定環(huán)端內(nèi)齒輪與所述電機輸出軸上的齒輪嚙合，所述相位鎖定環(huán)內(nèi)通過相位鎖定桿和相位鎖定桿加強塊連接多個內(nèi)凸輪伸縮單元；

所述內(nèi)凸輪伸縮單元包括同心設(shè)置的內(nèi)圈和外圈，所述內(nèi)圈和外圈均由兩個半殼組成，其中：

所述內(nèi)圈的兩個半殼上分別開有6個矩形截面的槽，兩個半殼合并時，每對矩形槽組成一個方孔，方孔內(nèi)裝有4只滾珠軸承，構(gòu)成直線滑槽，所述直線滑槽中插有伸縮桿；

所述外圈的兩個半殼上分別開有矩形截面的、曲線形的半邊的內(nèi)凸輪軌道，當(dāng)兩個半殼合并構(gòu)成外圈時，兩個半邊的內(nèi)凸輪軌道貼合成一個整體的內(nèi)凸輪軌道；

所述伸縮桿靠近外圈的一端的兩側(cè)裝有一對滾珠軸承，這對滾珠軸承置于外圈上的內(nèi)凸輪軌道中；

多個內(nèi)凸輪伸縮單元的伸縮桿的內(nèi)端粘接有柔性蒙皮。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器，相比于螺旋槳推進(jìn)器，具有更好的隱蔽性能和后退機動性能；相比于普通的二維長鰭波動推進(jìn)器，借由筒狀封閉的波動鰭面可以實現(xiàn)更高的推進(jìn)效率。通過在航行器的不同位置沿不同方向使用多個管狀柔性長鰭的仿生推進(jìn)器，可以提高航行器的機動能力。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器的外觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1a為圖1的A向放大示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例提供的柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2a為圖2的B部放大結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3a為本發(fā)明實施例中內(nèi)凸輪伸縮單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3b為本發(fā)明實施例中內(nèi)凸輪伸縮單元的沿圖3a中I面的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3c為本發(fā)明實施例中內(nèi)凸輪伸縮單元的沿圖3a中II面的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3d為圖3b的C部放大結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是將柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器直接作為航行器主體的應(yīng)用示意圖。

圖5是裝有一對柔性管狀波動仿生推進(jìn)器的航行器的應(yīng)用示意圖。

圖中：

1：導(dǎo)流外殼，2：電機，3：齒輪(安裝在電機輸出軸上)，4：相位鎖定環(huán)端內(nèi)齒輪(與齒輪3嚙合，與相位鎖定環(huán)5、相位鎖定桿加強塊6和相位鎖定桿7相固接)，5：相位鎖定環(huán)，6：相位鎖定桿加強塊，7：相位鎖定桿，8：內(nèi)圈固聯(lián)螺桿(用于連接并固定所有內(nèi)圈),9：內(nèi)凸輪伸縮單元(即圖3a、圖3b所述的整個結(jié)構(gòu))，10：柔性蒙皮；

11：內(nèi)圈，12：外圈，13：滾珠軸承，14：內(nèi)凸輪軌道(成型于外圈內(nèi)側(cè))，15：伸縮桿，16：滾珠軸承。

具體實施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明的柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器，其較佳的具體實施方式是：

包括導(dǎo)流外殼，所述導(dǎo)流外殼內(nèi)設(shè)有電機和相位鎖定環(huán)，所述相位鎖定環(huán)內(nèi)縱向設(shè)有相位鎖定桿和相位鎖定桿加強塊，所述相位鎖定環(huán)的端部設(shè)有相位鎖定環(huán)端內(nèi)齒輪，所述相位鎖定環(huán)端內(nèi)齒輪與所述電機輸出軸上的齒輪嚙合，所述相位鎖定環(huán)內(nèi)通過相位鎖定桿和相位鎖定桿加強塊連接多個內(nèi)凸輪伸縮單元；

所述內(nèi)凸輪伸縮單元包括同心設(shè)置的內(nèi)圈和外圈，所述內(nèi)圈和外圈均由兩個半殼組成，其中：

所述內(nèi)圈的兩個半殼上分別開有6個矩形截面的槽，兩個半殼合并時，每對矩形槽組成一個方孔，方孔內(nèi)裝有4只滾珠軸承，構(gòu)成直線滑槽，所述直線滑槽中插有伸縮桿；

所述外圈的兩個半殼上分別開有矩形截面的、曲線形的半邊的內(nèi)凸輪軌道，當(dāng)兩個半殼合并構(gòu)成外圈時，兩個半邊的內(nèi)凸輪軌道貼合成一個整體的內(nèi)凸輪軌道；

所述伸縮桿靠近外圈的一端的兩側(cè)裝有一對滾珠軸承，這對滾珠軸承置于外圈上的內(nèi)凸輪軌道中；

多個內(nèi)凸輪伸縮單元的伸縮桿的內(nèi)端粘接有柔性蒙皮。

所述半邊的內(nèi)凸輪軌道的外緣高于內(nèi)緣，內(nèi)緣高于內(nèi)緣基板，當(dāng)兩個半殼合并構(gòu)成外圈時，兩個半邊的內(nèi)凸輪軌道的外緣相貼合，內(nèi)緣之間留有一段空隙，內(nèi)緣基板之間留有更大的空隙。

所述伸縮桿正視為粗細(xì)均勻的條形，側(cè)視為“凸”字形，靠近外圈的一端較細(xì)，靠近內(nèi)圈的一端較粗。

本發(fā)明的柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器，包括一張柔性的管狀蒙皮、一縱列內(nèi)凸輪伸縮單元、一套伸縮單元相位鎖定機構(gòu)，直流電機和外殼。內(nèi)凸輪伸縮系統(tǒng)包含幾個主要零件：內(nèi)圈、外圈和伸縮桿。其中，內(nèi)圈上開有數(shù)個沿圓周均勻分布的孔，孔內(nèi)裝有滾珠軸承，共同構(gòu)建成一個直線滑槽。外圈與內(nèi)圈同軸，內(nèi)部包含一個內(nèi)凸輪軌道，內(nèi)凸輪軌道為由與內(nèi)圈開孔數(shù)目相同的周期性“峰-谷”組成的中心對稱的環(huán)狀波浪形。每個內(nèi)圈的直線滑槽內(nèi)有個可沿內(nèi)圈徑向運動的伸縮桿，該伸縮桿向外側(cè)的一端截面收窄，并安裝有一對滾珠軸承；內(nèi)側(cè)的一端與柔性蒙皮相連接。伸縮桿上的滾珠軸承卡在外圈內(nèi)的內(nèi)凸輪軌道中，并可隨外圈的轉(zhuǎn)動而自由滾動，外圈每轉(zhuǎn)動一圈，伸縮桿便來回運動與內(nèi)圈開孔數(shù)目相同的次數(shù)，并帶動內(nèi)側(cè)的柔性蒙皮收縮和擴張。在內(nèi)圈的軸向上等間距布置數(shù)套內(nèi)凸輪伸縮單元，數(shù)套單元的內(nèi)圈沿軸向線性排列，并由內(nèi)圈固聯(lián)螺桿連接固定，相鄰?fù)馊χg在轉(zhuǎn)動方向上錯開相等的角度，并由伸縮單元相位鎖定機構(gòu)固定，使得所有外圈之間的相對位置保持不變。外圈轉(zhuǎn)動時，伸縮桿周期性伸縮并帶動柔性蒙皮周期性收縮和擴張，由于相鄰伸縮桿的伸縮動作存在一個相位差，所以整個柔性蒙皮上便產(chǎn)生一個管狀的三維行波，推動水向行波傳動的方向運動，以此產(chǎn)生一個逆著行波傳動方向的反作用力，也就是對航行器的推力。

所述的內(nèi)圈由兩半殼體組成，每個殼體上有沿圓周方向均勻分布的數(shù)個矩形截面的槽，兩個殼體組合到一起構(gòu)成矩形截面的孔，孔兩側(cè)靠近邊緣的位置裝有四只滾珠軸承，用以約束伸縮桿在孔內(nèi)只能沿孔的軸向滑動。

所述的外圈由兩半殼體組成，每個殼體上有一個中心對稱的波浪狀的半邊的內(nèi)凸輪軌道，兩個殼體組合到一起構(gòu)成一個整體的內(nèi)凸輪軌道，凸輪槽靠近外圈外側(cè)的邊緣封閉，靠近外圈中心一側(cè)的邊緣留有開口，以供伸縮桿插入，組裝完成后，伸縮桿的一端可在凸輪槽內(nèi)滑動，如此一來，不需借助彈簧便可以實現(xiàn)伸縮桿的雙向伸縮運動。外圈靠近邊緣的位置開有數(shù)組相位鎖定孔，每組相位鎖定孔經(jīng)伸縮單元相位鎖定機構(gòu)鎖定后，可實現(xiàn)相鄰伸縮單元間不同的轉(zhuǎn)動相位差，表現(xiàn)在柔性蒙皮上即是波長的改變。

所述的伸縮桿由桿體和位于桿端兩側(cè)的滾珠軸承組合而成，滾珠軸承在內(nèi)凸輪軌道中滾動，可以降低摩擦阻力，提高整套系統(tǒng)的順暢性。

所述的伸縮單元相位鎖定機構(gòu)由鎖定桿、鎖定桿加強塊和鎖定環(huán)組成。鎖定桿將每個外圈相應(yīng)的相位鎖定孔串聯(lián)起來，以使相鄰?fù)馊Ρ３值认辔徊畹臓顟B(tài)。鎖定桿加強塊套在鎖定桿上，分布于每組內(nèi)凸輪伸縮單元之間，并固接在鎖定環(huán)內(nèi)，給予鎖定桿以支撐，提高鎖定機構(gòu)的強度。鎖定環(huán)的兩端分別與兩個內(nèi)齒輪連接，推進(jìn)器兩端布置數(shù)個電機，電機軸的輸出齒輪與鎖定環(huán)兩端的內(nèi)齒輪咬合，電機轉(zhuǎn)動驅(qū)動外圈組共同繞內(nèi)圈組轉(zhuǎn)動。

優(yōu)點和積極效果：

本發(fā)明的柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器，相比于螺旋槳推進(jìn)器，具有更好的隱蔽性能和后退機動性能；相比于普通的二維長鰭波動推進(jìn)器，借由筒狀封閉的波動鰭面可以實現(xiàn)更高的推進(jìn)效率。通過在航行器的不同位置沿不同方向使用多個管狀柔性長鰭的仿生推進(jìn)器，可以提高航行器的機動能力。

具體實施例：

如圖1、圖1a、圖2、圖2a所示，是本發(fā)明所述的柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器整體示意圖。1為導(dǎo)流外殼，2為電機，3為齒輪，4為相位鎖定環(huán)端內(nèi)齒輪，5為相位鎖定環(huán)，6為相位鎖定桿加強塊，7為相位鎖定桿，8為內(nèi)圈固聯(lián)螺桿，9為內(nèi)凸輪伸縮單元，10為柔性蒙皮。電機2轉(zhuǎn)動，齒輪3驅(qū)動相位鎖定環(huán)端內(nèi)齒輪4帶動左端第一個內(nèi)凸輪伸縮單元上的外圈轉(zhuǎn)動，相位鎖定環(huán)5、相位鎖定桿加強塊6和相位鎖定桿7將轉(zhuǎn)動傳遞給所有的外圈，由于所有內(nèi)圈由內(nèi)圈固聯(lián)螺桿固定，同時相鄰?fù)馊χg沿轉(zhuǎn)動方向具有相等的相位差，處在同一周向位置(在左視圖上重合)的一列伸縮桿的內(nèi)端頂點將形成一個向前(或向后)傳遞的行波，柔性蒙皮10粘接于伸縮桿內(nèi)端，受伸縮桿的驅(qū)動產(chǎn)生一管狀的行波，從而產(chǎn)生推力。

參見圖3a、圖3b、圖3c、圖3d，由剛性材料構(gòu)成的內(nèi)圈11和外圈12同心，內(nèi)圈和外圈均由兩個半殼組成。其中，內(nèi)圈的兩個半殼上分別開有6個矩形截面的槽，兩個半殼合并時，每對矩形槽組成一個方孔，方孔內(nèi)裝有4只滾珠軸承13，構(gòu)成直線滑槽；外圈的兩個半殼上分別開有矩形截面的、曲線形的半邊的內(nèi)凸輪軌道14，內(nèi)凸輪軌道的外緣高于內(nèi)緣，內(nèi)緣高于內(nèi)緣基板，當(dāng)兩個半殼合并構(gòu)成外圈時，兩個內(nèi)凸輪軌道的外緣相貼合，內(nèi)緣之間留有一段空隙，內(nèi)緣基板之間留有更大的空隙；伸縮桿15的正視圖為粗細(xì)均勻的條形，側(cè)視圖為“凸”字形，靠近外圈的一端(外端)較細(xì)，兩側(cè)裝有一對滾珠軸承16，可在外圈上的內(nèi)凸輪軌道中滾動，靠近內(nèi)圈的一端(內(nèi)端)較粗，插入內(nèi)圈上的直線滑槽內(nèi)。當(dāng)外圈相對內(nèi)圈轉(zhuǎn)動時，伸縮桿外端的軸承在外圈上的內(nèi)凸輪軌道中滾動，帶動伸縮桿在內(nèi)圈上的直線滑槽內(nèi)伸縮。

圖4是是將柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器直接作為航行器主體的概念圖。航行器主體設(shè)計為流線型，柔性管狀波動的仿生推進(jìn)器位于其中心軸線處，推進(jìn)器負(fù)責(zé)產(chǎn)生推力，由航行器上外置的方向舵來實現(xiàn)其各方向上的機動動作。

圖5是裝有一對柔性管狀波動仿生推進(jìn)器的航行器的概念圖。其中柔性管狀波動推進(jìn)器對稱的安裝在航行器的尾部兩側(cè)，推進(jìn)器的軸線方向可自由調(diào)整，從而實現(xiàn)各方向的機動動作。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。