本发明涉及航行器高速入水降载领域，具体涉及一种基于空化器的航行器主动降载结构。
背景技术：
水下航行器在经由火箭助飞或飞机投放后将不可避免地经历入水过程。入水过程是一个速度快、时间短的瞬态过程，期间将对航行器产生巨大的冲击载荷。如果不通过一些技术手段进行降载，将对航行器的外形、结构、器件等造成显性或潜在的破坏。
超空泡技术是一种非常有效的降载方法。俄罗斯最早提出了水下超空泡航行器的概念，通过将航行器包围在空泡之中，将航行器与水隔离开来，从而大大降低了航行器水下航行的阻力。超空泡减阻的基本原理是通过降低航行器周围流体介质的密度来实现的。通过人工通气，可以使自然空化的空泡面积增大，逐渐发展成为包围航行器的超空泡，并使空泡稳定。基于同样的原理，超空泡减阻可以应用于航行器入水阶段的降载，通过航行器头部喷气形成包裹空泡来降低冲击载荷。
航行器高速入水降载技术是入水领域的核心技术之一，传统的降载技术包括使用脆性缓冲头帽、柔性缓冲头帽、应用冲击力小的特殊头型等方式。但以上技术的降载能力有限，随着入水速度的进一步增加，以上技术面临着失效的风险。申请公布号为cn109341443a的发明专利公布了一种基于反向喷气的导弹高速入水方法，该发明主要由燃气发生器、拉瓦尔喷管及长尾管组成。入水前，燃气发生器开始工作，产生的大量气体通过长尾管进入拉瓦尔喷管，经过拉瓦尔喷管加速到超音速喷出，从而在入水时将导弹包裹住。该方法利用导弹本身就携带燃料的特点，就地取材，可以为导弹高速入水提供保护；但应用于水下航行器时需要在本就非常紧凑的航行器内部放置一整套燃气发生和喷射系统，由此带来的重量、空间、性能成本是无法接受的。
技术实现要素：
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于空化器的航行器主动降载结构，利用压缩气体代替燃气来进行工作，在入水瞬间生成包裹弹体的光滑超空泡，应用超空泡技术解决入水降载问题，具有优良的降载性能和较小的工程代价，应用潜力较大。
技术方案
一种基于空化器的航行器主动降载结构，航行器分为航行器头部、航行器中段、航行器尾段；其特征在于在航行器头部内设有主动降载结构，包括气流喷射孔、空化器、喷气通断阀和高压气瓶，空化器位于航行器头部的顶端，一个带有锐角边缘的圆盘状结构，其作用在于引导空化器后方区域形成平稳光滑的包裹空泡；气流喷射孔位于航行器头部顶端的空化器的后方，与空化器共同作用产生包裹超空泡；高压气体通过航行器头部内的气体喷射流道进入气体喷射孔的，而气体喷射流道的后方则与喷气通断阀相连；喷气通断阀的状态受喷气控制系统的控制，当航行器即将触水时，喷气通断阀打开，喷气通断阀后侧的高压气瓶中的高压气体经由喷气通断阀、气体喷射流道、气流喷射孔喷出，形成包裹航行器的空泡，达到超空泡降载的目的。
设计超空泡尺寸时参考以下公式：
其中，dc表示超空泡最大直径，lc表示超空泡长度，cx0表示空化数，dn表示空化器的直径，σ表示阻力系数，kd(σ)是关于σ的函数，正比于(1/σ+1)0.5，kl(σ)是关于σ的函数，正比于(σ+1)0.5。
有益效果
本发明提出的一种基于空化器的航行器主动降载结构，包括航行器头部，航行器中段，航行器尾段，喷气通断阀和高压气瓶。其中，航行器头部内部设计有气体喷射流道，外边面设计有气流喷射孔。此外，航行器头部的顶端设计有空化器，空化器为一个带锐角边缘的圆盘状结构，在锐角结构之后通过气流喷射孔通气，可形成包围物体的超空泡。喷气通断阀位于航行器头部内的后方，连接着喷射流道和高压气瓶，受航行器喷气控制系统的直接控制，控制着气流的通断。高压气瓶位于喷气通断阀的后部，储存着产生超空泡所需要的全部高压气体。本发明将超空泡空化技术应用于航行器高速入水过程的降载问题，相比于传统的缓冲头帽和降载头型降载技术具有更优异的降载性能。本发明以高压压缩空气作为气源，相比于燃气喷气降载，系统更为紧凑小巧，更适合应用于中小型水下航行器。
附图说明
图1为一种基于空化器的航行器主动降载结构的整体示意图
图2为一种基于空化器的航行器主动降载结构的局部视图
附图标记说明：1-航行器头部，2-航行器中段，3-航行器尾段，4-气流喷射孔，5-空化器，6-喷气通断阀，7-高压气瓶。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如附图1所示，本发明的应用对象为水下航行器。通常，水下航行器可以分为航行器头部1，航行器中段2，航行器尾段3。本发明在航行器头部1内设计有主动降载系统，主动降载系统包括气流喷射孔4、空化器5、喷气通断阀6和高压气瓶7。主动降载系统占用空间较小，不对航行器头部内的其它部件产生大的影响。空化器5位于航行器头部1的顶端，是一个带有锐角边缘的圆盘状结构，其作用在于引导空化器后方区域形成平稳光滑的包裹空泡。空化器方法生成的超空泡具有光滑透明的表面，且稳定性高，是最常用的超空泡生成方法。气流喷射孔4位于航行器头部1顶端的空化器的后方，与空化器5共同作用产生包裹超空泡。高压气体是通过航行器头部1内的气体喷射流道进入气体喷射孔4的，而气体喷射流道的后方则与喷气通断阀6相连。喷气通断阀6的状态受喷气控制系统的控制，当航行器即将触水时，喷气通断阀6打开，喷气通断阀6后侧的高压气瓶7中的高压气体经由喷气通断阀6、气体喷射流道、气流喷射孔4喷出，形成包裹航行器的空泡，达到超空泡降载的目的。
空化器5在超空泡生成的过程中起着重要的作用，包括诱导、促进空化的产生，固定空泡的起始位置进而提高超空泡的稳定性与抗干扰能力，但其最重要的作用是控制超空泡的主尺度。超空泡的形状尺寸与空化器直接相关，在工程应用中设计超空泡尺寸时可参考以下公式：
其中，dc表示超空泡最大直径，lc表示超空泡长度，cx0表示空化数，dn表示空化器的直径，σ表示阻力系数，kd(σ)是关于σ的函数，正比于(1/σ+1)0.5，kl(σ)是关于σ的函数，正比于(σ+1)0.5。
由式①和②可知，当空化数cx0不变时，超空泡的最大直径dc和最大长度lc与空化器的直径dn成正比。但并不是空化器尺寸越大越好，航行器所受阻力也随空化器直径增大而增大。因此，需权衡超空泡尺寸与减阻两方面的影响后选择合适的空化器尺寸。在工程实际中，通常根据经验可取航行器圆柱段直径的五分之一左右为圆盘空化器直径的初值。