仿生脉冲射流推进系统应用分析

周剑涵

（四川大学，四川 成都 610207）

0 引言

在给定能量消耗的情况下，脉冲射流由于尾迹中涡环的作用相对于连续射流可获得更大推力，从而提高推进效率。涡环的形成对推进效率的增加主要通过在射流尾流场中产生的超压推力和由卷吸增强带来的动能损失的减小。基于上述理论结果，高效率的脉冲射流推进装置对实现水下航行器的高效控制与机动有重大意义。

1 传统推进方式及分析

1.1 螺旋桨推进分析

螺旋桨推进技术和制造工艺成熟，稳定性和可靠性高，在小型水下航行器和大型舰艇上都有广泛应用。大型舰艇多采用螺旋桨驱动配合舵的控制，小型水下航行器采用多螺旋桨协同推进方式，如蛟龙号上对螺旋桨的安装位置进行设计，控制每一个螺旋桨的转速和转向来对航行器进行驱动和姿态调整。但是螺旋桨推进效率较低，需要转轴带动桨叶，还会产生额外的扭矩。另外，螺旋桨作动易产生空泡，从而产生很大的噪声。而为了减弱空泡效应，螺旋桨转速不高，影响其推力和巡航速度。

1.2 泵喷推进分析

泵喷推进可以很好的弥补螺旋桨推进噪声大、高航速效率低的缺点。泵喷推进装置在前端吸水，通过泵加压后在尾喷口喷出。这种方式可以有效利用来流冲压提高航速。泵的叶轮处于均匀流场中，在高航速时也有较好的抗空泡性能，整个装置噪声、震动小[1]。但泵喷推进装置的传动机构复杂、体积庞大，制造时对材料和工艺有很高的要求，且后期拆卸、检修复杂。泵喷推进在高航速段有较高的推进效率，但在低航速时管道系统的效率较低。

1.3 传统推进方式的局限性

水下航行器的绝大部分使用场景都是用于水下勘测，无论是科研考察还是军事侦查，都需要其有高机动性、高效率、高静音性能。特别是在进行细小环节勘察时或者在狭小空间工作时，需要水下航行器频繁地进行姿态调整，以上两种的水下推进器很难做到这一点，即使有这样的机动能力也需要很长的作动时间。

2 仿生推进方式及分析

2.1 鱼类仿生推进方式及装置研究现状

鱼类通过振鳍和摆尾游动是水中生物较为常见的推进方式，既可以保持高效率巡航，又可以在狭小的空间进行灵活的运动。鱼尾作横向往复摆动，像一定方向传递横波，从而达到推进效果，属于波状摆动推进。早期对胸鳍和尾鳍的模仿采用刚性构件和电机驱动。这就带来了一些问题：受电机发展水平限制，装置的体积较为庞大，重量难以减轻；鱼类身体的柔性保证了推进性能，而模仿胸鳍的元件采用刚性板，尾鳍的模仿也采用单关节或多关节刚性元件；通过连杆来传动也增加了结构的复杂程度和尺寸。早期仿生鱼的短板导致其游动速度、推进效率、机动性能和静音性能远不如鱼类。而后来随着微电机的发展和各种智能材料的出现，仿生鱼逐渐走向柔性化和小型化。

2.2 仿生喷水推进特点

乌贼、水母、樽海鞘等通过改变身体腔体的容积来完成吸水和喷水动作以实现推进，有高航速和抗空泡的优点。此类生物具备比鱼类更大柔性和动作幅度，可以获得更高的推进效率和机动性能。另外，通过观察这些生物的游动可以发现，这种推进方式还可以实现缓慢游动的精确定位[2]。利用这一特点，在需要布置多个推进装置的水下航行器上可以考虑混合推进方式：用可靠性和稳定性较好的螺旋桨作为主推进器，安装多个小型喷水推进装置实现对航行器的姿态控制，如Michael Krieg等[3]在水下航行器的前后两端的侧面安装喷水装置实现姿态控制。因此，研究仿生喷水推进方式的机理，设计、优化这种喷水装置，对提高水下航行器的推进性能十分有意义，还提供了更多的机动方案。

3 生物喷水推进模式

3.1 乌贼的推进模式

乌贼的喷水推进不是其唯一运动方式，但其主要依靠这种方式实现高速机动。乌贼在喷水推进过程中，肌肉收缩，外套膜厚度减小，体腔体积增加将水吸入。随后肌肉舒张，外套膜厚度增加，将腔内的水从喷嘴喷出，获得反方向的动量。另外，其柔性喷嘴随喷水过程不断调整大小，在型腔容积变化一定的情况下获得最大的动量。

3.2 水母的推进模式

水母身体外形呈伞状，伞内有发达的肌纤维。水母利用纵向的肌纤维收缩挤压内腔，将腔体内的水喷出。然后内腔扩张，水流慢慢吸入，充满内腔，准备下一次喷水推进。

3.3 樽海鞘的推进模式

樽海鞘身体呈桶形，入水孔和出水孔分别位于身体的前后两端，身体外侧有环状排列的肌肉带。肌肉带从前到后依次收缩，完成前端吸水、后端喷水，从而推动身体前进。

对比三种典型水下喷水推进生物特点：乌贼和樽海鞘吸水和喷水通过不同的部位来完成，而水母吸水和喷水通过同一个开口；乌贼和水母的吸水、喷水方向相反，而樽海鞘进水口和喷水口分列身体的两端，吸水和喷水的方向是相同的；通过实际观察，乌贼可达到极快的游动速度，而水母和樽海鞘都只能进行较慢的游动。

4 喷水推进原理

水下航行器再向后喷水时，受到水的反作用力，即为向前的推力。在定常流动中，根据动量守恒可得到推力计算式：

式中T为推力，ρ为水密度，An为喷口在喷射水流方向的面积投影，Δv为水流相对于航行器的速度。航行器在水中航行时受到的阻力：

式中R为阻力，V为航行速度，Swet为航行器浸润面积，CD为阻力系数。推力和阻力之差即为航行器获得的动力。喷水推进效率计算公式：

η式中为效率，v0为水的射流速度。

5 国内外仿生喷水推进装置研究现状

5.1 采用刚性机构

早期的仿生喷水推进装置采用连杆和活塞等刚性构件作动，没有真正实现如水下生物般的柔性运动。如德国费斯托公司研制的一种仿生机器水母，该水母通过气缸驱动八个触角摆动来实现推进[4]。美国弗吉尼亚理工大学的Kenneth Marut等研制的名为“Cyro”的大型仿水母机器人，采用八个电机分别驱动八个刚性机械臂，通过刚性机械臂带动橡胶外皮实现水母的钟状体收缩运动[5]。中国科学院自动化研究所研制的基于多连杆机构的仿生机器水母，采用四个驱动舵机和一个重心调节舵机来实现多连杆机构的往复摆动和重心调节，由4个辅助触角来带动钟状外皮进行收缩扩张运动[6]。利用刚性传动构件的装置目前仍有结构复杂、体积庞大、难以轻量化等问题，巡航速度和推进效率都逊色于水下生物。

5.2 采用柔性智能材料

将智能材料运用到仿生推进装置中，新型喷水推进装置更能模仿出生物复杂的柔性运动。智能材料既能作为传感器，又具有驱动功能，这就能让我们通过改变电压、电流、温度等参数，控制智能材料的变形，从而控制喷水装置的形态。目前能达到此要求并具备一定实用功能的智能材料有形状记忆合金、电流驱动聚合物、压电陶瓷等。

（1）记忆合金。美国弗吉利亚理工学院的Bressers等研制的仿生水母机器人通过对形状记忆合金薄片的两面通电加热使其弯曲和恢复，从而模拟水母的收缩和扩张[7]。王振龙教授等研制的仿生水母利用形状记忆合金丝作为驱动材料，制成六个仿生推进触角进行驱动[8]。形状记忆合金最大的优点在于能够产生很大的应变，接近生物肌肉的较小应变，使装置有较大的体积变化量。但其最大的缺点是动作频率低，故而很难达到高速状态下的连续推进。其记忆效应也会随作动次数的增加而衰减，不利于长期使用。

（2）电流驱动聚合物。电流驱动聚合物受到电激励后会产生形变，与压电陶瓷相比具有更大的应变和更高的作动频率，与记忆金属相比变形后的保持时间更长。美国弗吉利亚理工学院的Joseph Najem等利用这种电活性材料制成仿生水母的驱动器，带动外伞收缩和张开。

（3）压电陶瓷。由于压电效应，压电陶瓷可以接收电信号并将其转化为自身的机械变形。压电陶瓷能输出较大的力，动作频率也很高。但压电陶瓷的应变极小，故其在仿生装置上应用范围较小，多用于微小型装置上。吉林大学机械工程学院利用压电陶瓷研制出一种微小型喷水推进装置：对用这种材料制成的腔体施加交流电信号，使其产生径向的收缩和伸长，实现腔体体积的改变，从而实现吸水和喷水进程。

（4）采用其他方式。意大利微工程研究中心的Tortora等的微型水母机器人，就通过具有弹性的永磁体和旋转制动器之间的电磁相互作用来实现吸水和喷水。韩国全南国立大学的Youngho Ko等的微型仿水母机器人的驱动系统是三个不同角度的电磁线圈，施加了电流的信号线圈就会产生三维磁场，对永磁体腔体产生作用，实现体积变化。

水下生物肌肉的运动有应力较小，应变较大，动作频率中等的特点。而不同智能材料的变形特点不同，不同驱动方式也有在动作频率、动作幅度等方面有所不同。根据不同材料特点应用于不同推进场景，不同情况具体分析才能有性能良好的推进设计。

6 结语

随着粒子图像测速、粒子追踪测速等流体实验方法用于研究喷管射流的流场，脉冲射流的机理研究也越来越深入。而仿生脉冲射流装置的研究目前还存在种种问题，如水下密封以及柔性化程度等问题。另外，目前仿生鱼和仿生水母的验证模型较多，而可以高速巡航的乌贼可以实现的推进模式还没有很好的模仿装置，并且乌贼可以在深海活动的身体结构会对提升装置的抗水压性能有很大启发。推进装置的改进和实用化一方面使得仿生喷水的机理研究更接近于真实情况，另一方面也为水下航行器的高效推进方式提供更多选择。