仿生脈沖射流推進系統應用分析

周劍涵

（四川大學，四川 成都 610207）

0 引言

在給定能量消耗的情況下，脈沖射流由于尾跡中渦環的作用相對于連續射流可獲得更大推力，從而提高推進效率。渦環的形成對推進效率的增加主要通過在射流尾流場中產生的超壓推力和由卷吸增強帶來的動能損失的減小。基于上述理論結果，高效率的脈沖射流推進裝置對實現水下航行器的高效控制與機動有重大意義。

1 傳統推進方式及分析

1.1 螺旋槳推進分析

螺旋槳推進技術和制造工藝成熟，穩定性和可靠性高，在小型水下航行器和大型艦艇上都有廣泛應用。大型艦艇多采用螺旋槳驅動配合舵的控制，小型水下航行器采用多螺旋槳協同推進方式，如蛟龍號上對螺旋槳的安裝位置進行設計，控制每一個螺旋槳的轉速和轉向來對航行器進行驅動和姿態調整。但是螺旋槳推進效率較低，需要轉軸帶動槳葉，還會產生額外的扭矩。另外，螺旋槳作動易產生空泡，從而產生很大的噪聲。而為了減弱空泡效應，螺旋槳轉速不高，影響其推力和巡航速度。

1.2 泵噴推進分析

泵噴推進可以很好的彌補螺旋槳推進噪聲大、高航速效率低的缺點。泵噴推進裝置在前端吸水，通過泵加壓后在尾噴口噴出。這種方式可以有效利用來流沖壓提高航速。泵的葉輪處于均勻流場中，在高航速時也有較好的抗空泡性能，整個裝置噪聲、震動小[1]。但泵噴推進裝置的傳動機構復雜、體積龐大，制造時對材料和工藝有很高的要求，且后期拆卸、檢修復雜。泵噴推進在高航速段有較高的推進效率，但在低航速時管道系統的效率較低。

1.3 傳統推進方式的局限性

水下航行器的絕大部分使用場景都是用于水下勘測，無論是科研考察還是軍事偵查，都需要其有高機動性、高效率、高靜音性能。特別是在進行細小環節勘察時或者在狹小空間工作時，需要水下航行器頻繁地進行姿態調整，以上兩種的水下推進器很難做到這一點，即使有這樣的機動能力也需要很長的作動時間。

2 仿生推進方式及分析

2.1 魚類仿生推進方式及裝置研究現狀

魚類通過振鰭和擺尾游動是水中生物較為常見的推進方式，既可以保持高效率巡航，又可以在狹小的空間進行靈活的運動。魚尾作橫向往復擺動，像一定方向傳遞橫波，從而達到推進效果，屬于波狀擺動推進。早期對胸鰭和尾鰭的模仿采用剛性構件和電機驅動。這就帶來了一些問題：受電機發展水平限制，裝置的體積較為龐大，重量難以減輕；魚類身體的柔性保證了推進性能，而模仿胸鰭的元件采用剛性板，尾鰭的模仿也采用單關節或多關節剛性元件；通過連桿來傳動也增加了結構的復雜程度和尺寸。早期仿生魚的短板導致其游動速度、推進效率、機動性能和靜音性能遠不如魚類。而后來隨著微電機的發展和各種智能材料的出現，仿生魚逐漸走向柔性化和小型化。

2.2 仿生噴水推進特點

烏賊、水母、樽海鞘等通過改變身體腔體的容積來完成吸水和噴水動作以實現推進，有高航速和抗空泡的優點。此類生物具備比魚類更大柔性和動作幅度，可以獲得更高的推進效率和機動性能。另外，通過觀察這些生物的游動可以發現，這種推進方式還可以實現緩慢游動的精確定位[2]。利用這一特點，在需要布置多個推進裝置的水下航行器上可以考慮混合推進方式：用可靠性和穩定性較好的螺旋槳作為主推進器，安裝多個小型噴水推進裝置實現對航行器的姿態控制，如Michael Krieg等[3]在水下航行器的前后兩端的側面安裝噴水裝置實現姿態控制。因此，研究仿生噴水推進方式的機理，設計、優化這種噴水裝置，對提高水下航行器的推進性能十分有意義，還提供了更多的機動方案。

3 生物噴水推進模式

3.1 烏賊的推進模式

烏賊的噴水推進不是其唯一運動方式，但其主要依靠這種方式實現高速機動。烏賊在噴水推進過程中，肌肉收縮，外套膜厚度減小，體腔體積增加將水吸入。隨后肌肉舒張，外套膜厚度增加，將腔內的水從噴嘴噴出，獲得反方向的動量。另外，其柔性噴嘴隨噴水過程不斷調整大小，在型腔容積變化一定的情況下獲得最大的動量。

3.2 水母的推進模式

水母身體外形呈傘狀，傘內有發達的肌纖維。水母利用縱向的肌纖維收縮擠壓內腔，將腔體內的水噴出。然后內腔擴張，水流慢慢吸入，充滿內腔，準備下一次噴水推進。

3.3 樽海鞘的推進模式

樽海鞘身體呈桶形，入水孔和出水孔分別位于身體的前后兩端，身體外側有環狀排列的肌肉帶。肌肉帶從前到后依次收縮，完成前端吸水、后端噴水，從而推動身體前進。

對比三種典型水下噴水推進生物特點：烏賊和樽海鞘吸水和噴水通過不同的部位來完成，而水母吸水和噴水通過同一個開口；烏賊和水母的吸水、噴水方向相反，而樽海鞘進水口和噴水口分列身體的兩端，吸水和噴水的方向是相同的；通過實際觀察，烏賊可達到極快的游動速度，而水母和樽海鞘都只能進行較慢的游動。

4 噴水推進原理

水下航行器再向后噴水時，受到水的反作用力，即為向前的推力。在定常流動中，根據動量守恒可得到推力計算式：

式中T為推力，ρ為水密度，An為噴口在噴射水流方向的面積投影，Δv為水流相對于航行器的速度。航行器在水中航行時受到的阻力：

式中R為阻力，V為航行速度，Swet為航行器浸潤面積，CD為阻力系數。推力和阻力之差即為航行器獲得的動力。噴水推進效率計算公式：

η式中為效率，v0為水的射流速度。

5 國內外仿生噴水推進裝置研究現狀

5.1 采用剛性機構

早期的仿生噴水推進裝置采用連桿和活塞等剛性構件作動，沒有真正實現如水下生物般的柔性運動。如德國費斯托公司研制的一種仿生機器水母，該水母通過氣缸驅動八個觸角擺動來實現推進[4]。美國弗吉尼亞理工大學的Kenneth Marut等研制的名為“Cyro”的大型仿水母機器人，采用八個電機分別驅動八個剛性機械臂，通過剛性機械臂帶動橡膠外皮實現水母的鐘狀體收縮運動[5]。中國科學院自動化研究所研制的基于多連桿機構的仿生機器水母，采用四個驅動舵機和一個重心調節舵機來實現多連桿機構的往復擺動和重心調節，由4個輔助觸角來帶動鐘狀外皮進行收縮擴張運動[6]。利用剛性傳動構件的裝置目前仍有結構復雜、體積龐大、難以輕量化等問題，巡航速度和推進效率都遜色于水下生物。

5.2 采用柔性智能材料

將智能材料運用到仿生推進裝置中，新型噴水推進裝置更能模仿出生物復雜的柔性運動。智能材料既能作為傳感器，又具有驅動功能，這就能讓我們通過改變電壓、電流、溫度等參數，控制智能材料的變形，從而控制噴水裝置的形態。目前能達到此要求并具備一定實用功能的智能材料有形狀記憶合金、電流驅動聚合物、壓電陶瓷等。

（1）記憶合金。美國弗吉利亞理工學院的Bressers等研制的仿生水母機器人通過對形狀記憶合金薄片的兩面通電加熱使其彎曲和恢復，從而模擬水母的收縮和擴張[7]。王振龍教授等研制的仿生水母利用形狀記憶合金絲作為驅動材料，制成六個仿生推進觸角進行驅動[8]。形狀記憶合金最大的優點在于能夠產生很大的應變，接近生物肌肉的較小應變，使裝置有較大的體積變化量。但其最大的缺點是動作頻率低，故而很難達到高速狀態下的連續推進。其記憶效應也會隨作動次數的增加而衰減，不利于長期使用。

（2）電流驅動聚合物。電流驅動聚合物受到電激勵后會產生形變，與壓電陶瓷相比具有更大的應變和更高的作動頻率，與記憶金屬相比變形后的保持時間更長。美國弗吉利亞理工學院的Joseph Najem等利用這種電活性材料制成仿生水母的驅動器，帶動外傘收縮和張開。

（3）壓電陶瓷。由于壓電效應，壓電陶瓷可以接收電信號并將其轉化為自身的機械變形。壓電陶瓷能輸出較大的力，動作頻率也很高。但壓電陶瓷的應變極小，故其在仿生裝置上應用范圍較小，多用于微小型裝置上。吉林大學機械工程學院利用壓電陶瓷研制出一種微小型噴水推進裝置：對用這種材料制成的腔體施加交流電信號，使其產生徑向的收縮和伸長，實現腔體體積的改變，從而實現吸水和噴水進程。

（4）采用其他方式。意大利微工程研究中心的Tortora等的微型水母機器人，就通過具有彈性的永磁體和旋轉制動器之間的電磁相互作用來實現吸水和噴水。韓國全南國立大學的Youngho Ko等的微型仿水母機器人的驅動系統是三個不同角度的電磁線圈，施加了電流的信號線圈就會產生三維磁場，對永磁體腔體產生作用，實現體積變化。

水下生物肌肉的運動有應力較小，應變較大，動作頻率中等的特點。而不同智能材料的變形特點不同，不同驅動方式也有在動作頻率、動作幅度等方面有所不同。根據不同材料特點應用于不同推進場景，不同情況具體分析才能有性能良好的推進設計。

6 結語

隨著粒子圖像測速、粒子追蹤測速等流體實驗方法用于研究噴管射流的流場，脈沖射流的機理研究也越來越深入。而仿生脈沖射流裝置的研究目前還存在種種問題，如水下密封以及柔性化程度等問題。另外，目前仿生魚和仿生水母的驗證模型較多，而可以高速巡航的烏賊可以實現的推進模式還沒有很好的模仿裝置，并且烏賊可以在深海活動的身體結構會對提升裝置的抗水壓性能有很大啟發。推進裝置的改進和實用化一方面使得仿生噴水的機理研究更接近于真實情況，另一方面也為水下航行器的高效推進方式提供更多選擇。