本发明属于流体力学领域，尤其涉及一种表面结构，具体涉及一种水下航行器外壳减阻表面结构。
背景技术：
水下航行器是一种航行于水下的航行体，包括载人水下航行器和无人水下航行器，它能够完成水下勘探、侦测甚至是军事上的进攻防守等任务。在海洋开发日益重要的现在，水下航行器越来越得到了各个国家的重视，无论是在民用还是在军用上，都扮演着重要的角色。但是在海洋中航行时，由于和海水流动相互作用，产生流体阻力和噪声，导致航速和水下兵器的作战性能降低。
目前航行器的减阻技术普遍为沟槽面湍流减阻、柔性面法、微气泡法、疏水减阻等，突破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式。传统的减阻技术作用于航行器表面时，往往呈现为对称结构，效果不尽人意，所以目前航行器航行阻力依然较大。因此，如何突破传统作用于航行器表面减阻技术，进一步降低航行器航行阻力，已成为本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明目的是针对现有技术存在的问题，提供一种水下航行器外壳减阻表面结构，突破传统减阻结构的技术障碍，大幅度降低水下航行器的阻力。
为解决现有技术中存在的问题，本发明采用的技术方案如下：
一种水下航行器外壳减阻表面结构，其特征在于：包括设于水下航行器外壳的羽毛形减阻结构阵列，所述羽毛形减阻结构阵列在水下航行器外壳上下表面呈非对称分布，所述非对称分布为羽毛形减阻结构阵列在水下航行器外壳上下表面的结构非对称、结构尺寸非对称或排布方式非对称中的一种或多种的组合；组成羽毛形减阻结构阵列的羽毛形减阻结构由羽轴结构和羽枝结构组成，其中，所述羽轴结构沿着航行器外壳表面流体流向排列，所述羽枝结构顺流方向的分布于羽轴结构两侧。
本发明水下航行器为中间段为圆柱形，所述羽毛形减阻结构阵列设于水下航行器中间段表面。
进一步地，本发明羽毛形减阻结构为微米级结构，羽轴结构和羽枝结构也是微米级。
进一步地，所述羽轴结构和羽枝结构均由设于水下航行器外壳表面的沟壑或凸起形成，具体的有四种组合，第一种、即羽轴结构和羽枝结构均采用在水下航行器外壳加工沟壑形成，加工的方式可以采用模板印刷、刻蚀或者激光直写等技术；第二种、羽轴结构和羽枝结构均采用在水下航行器外壳加工凸起形成，加工方式除了模板印刷、刻蚀、激光直写以外还可以是增材制造；第三种、羽轴结构为沟壑，羽枝结构为凸起，加工方式参见前两种；第四种、羽轴结构为凸起，羽枝结构为沟壑，加工方式参见前两种。
进一步地，所述羽毛形减阻结构中羽轴和羽枝的横截面形状为圆形、半圆形、椭圆形、多边形和不规则形状中的任意一种或多种组合。
进一步地，所述羽轴结构和羽枝结构的宽度比为1:1～10:1，该宽度为等效宽度或者最大宽度，所谓等效宽度是针对不规则形状，将不规则形状等效为一个圆形，该等效圆形直径为等效宽度。
进一步地，所述羽轴结构和羽枝结构可为直线型、曲线型和不规则线条型中的一种或者几种组合。
进一步地，所述结构非对称是指羽毛形减阻结构在水下航行器外壳上下表面采用不同的结构形状；具体的，在水下航行器外壳上、下表面，羽毛形减阻结构分别采用不同形状，或者随着水下深度增加，羽毛形减阻结构的形状规律变化。
所述羽毛形减阻结构的结构形状包括羽轴和羽枝结构的截面形状和其本身的形状，比如羽轴在上表面采用圆形截面直线型，下表面采用圆形截面曲线型，羽枝在上表面采用多边形截面曲线型，下表面采用圆形截面曲线型，等等，本发明不一一列举。
进一步地，所述结构尺寸非对称是指羽毛形减阻结构在水下航行器外壳上下表面采用不同的尺寸级别；具体的，在水下航行器外壳上、下表面，羽毛形减阻结构的尺寸分别均一分布，或者随着水下深度增加，羽毛形减阻结构逐渐减小。
所述结构尺寸包括羽轴和羽枝的长度、宽度(或者直径)、及高度或深度，对于凸起，高度为相对于航行器外壳凸出的高度，对于沟壑，深度为相对于航行器外壳凹进去的深度，本发明羽毛形减阻结构为微米级，羽枝和羽轴也是微米级，羽轴长度为0.1～100微米，宽度为0.1～10微米，羽枝长度为0.1～100微米，宽度为0.1～10微米。
进一步地，所述排布方式非对称是指羽毛形减阻结构在水下航行器外壳上下表面采用不同的排布方式；具体的，在水下航行器外壳上、下表面，羽毛形减阻结构的排布方式分别采用均一排布，或者随着水下深度增加，羽毛形减阻结构的排布方式规律变化。
进一步地，所述排布方式包括羽毛形减阻结构的密度排布和取向排布，所述密度排布包括羽毛形减阻结构阵列中单位面积内羽毛形减阻结构的密度排布和单个羽毛形减阻结构中羽枝结构的密度排布；比如在上下表面，单位面积内羽毛形减阻结构的密度均一分布，或者在水下航行器外壳表面，特别是下表面，随着深度的增加单位面积内的羽毛形减阻结构的密度增大；所述取向排布包括羽轴结构的取向排布和羽枝结构的取向排布，比如羽轴与流向的夹角大小，当然最优的是羽轴与流体流向平行，羽枝与流体流向的夹角成锐角，角度范围为5-60度。
进一步地，所述羽轴结构的取向排布包括平行排列和非平行排列；所述羽枝结构的排列方式可为纵横对齐整齐排列、纵横交错排列和不规则排列中的一种或者几种组合。
进一步地，作为一种优选的技术方案，所述羽毛形减阻结构在水下航行器外壳下表面呈现均匀分布或者随着深度的增加单位面积内的羽轴、羽枝或两者的密度增加，尺寸减小。
本发明的有益效果为：
本发明的水下航行器外壳减阻表面，颠覆了传统对称航行器外壳表面。该新型减阻水下航行器外壳减阻表面具有非对称上下表面，非对称上下表面减阻结构呈羽毛形阵列结构，羽毛形阵列结构在外壳上下表面可为结构非对称、结构尺寸非对称或排布方式非对称中的一种或多种的组合。利用航行器外壳表面非对称性结构，有效减小了航行阻力，提高航行速度和平稳性，减少能源消耗，符合环境保护和节能减排的要求，有显著的经济和环境效益。
附图说明
图1为本发明水下航行器外壳减阻表面结构整体结构示意图。
图2为实施例1中羽轴为沟壑结构，羽枝为凸起结构时的截面图。
图3为实施例2中羽轴为凸起结构，羽枝为沟壑结构时的截面图。
图4为羽枝为曲线时整体结构示意图。
图5为图4羽轴为凸起结构，羽枝为沟壑结构时的截面图。
图6为图4羽轴为沟壑结构，羽枝为凸起结构时的截面图。
图7为实施例1中表面摩擦力随时间变化的曲线图。
图8为实施例2中表面摩擦力随时间变化的曲线图。
图9为实施例3中表面摩擦力随时间变化的曲线图。
图10为实施例4中表面摩擦力随时间变化的曲线图。
图11为实施例5中表面摩擦力随时间变化的曲线图。
1-潜艇外壳；2-羽轴结构；3-羽枝结构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
实施例1：
该实施例用于制造采用减阻表面的新型水下航行器外壳，选择模板印刷术的方法来构造此外壳表面减阻结构，如图2所示，组成所述羽毛形减阻结构阵列的羽毛形减阻结构由羽轴结构2和羽枝结构3组成，羽轴结构2由沟壑组成，羽枝结构3由凸起组成，羽枝结构3与流体流向方向的夹角为45度。沟壑和凸起的横截面形状为圆形，羽轴结构2和羽枝结构3都呈直线型，羽轴结构和羽枝结构的宽度比为3:1。羽毛形减阻结构在航行器外壳上表面呈现均匀分布，结构尺寸固定均一分布，下表面随着深度的增加单位面积内的羽轴、羽枝密度增加，结构尺寸减小。羽轴结构2为平行排列，羽枝结构3为平行排列。羽轴长度为15微米，宽度为5微米，羽枝长度为2微米。
用接触角测量仪对水下航行器外壳减阻表面和航行器外壳无结构表面进行润湿性和液固摩擦力测试。
水下航行器外壳减阻表面：静态接触角为149°，滚动角为9°。
航行器外壳无结构表面：静态接触角为120°，滚动角为40°。
水下航行器外壳减阻表面和航行器外壳无结构表面摩擦力随时间变化如图7所示。：
水下航行器外壳减阻表面的静态接触角明显大于航行器外壳无结构表面，其滚动角则远远小于无结构表面，说明液体更难润湿水下航行器外壳减阻表面，且在该结构上的粘滞力很小，其液固摩擦力(35微牛)远远小于无结构表面(60微牛)，说明液体更容易从水下航行器外壳减阻表面上滚落下来，展现出良好的疏水性能，此试验表明，水下航行器外壳减阻表面在航行器行进过程中能够起到良好的疏水减阻的作用。
实施例2：
该实施例用于制造采用减阻表面的新型水下航行器外壳，选择3d打印的方法来构造此外壳表面减阻结构，如图3所示，组成所述羽毛形减阻结构阵列的羽毛形减阻结构由羽轴结构2和羽枝结构3组成，羽轴结构2为凸起结构，羽枝结构3为沟壑结构，羽枝结构3与流体流向方向的夹角为30度。凸起的横截面形状为圆形，羽轴结构2呈直线型，羽枝结构3呈曲线型，羽轴结构2和羽枝结构3的宽度比为2:1。羽毛形减阻结构在航行器外壳上表面呈现均匀分布，上表面羽轴结构尺寸大于下表面羽轴结构尺寸。羽轴结构为平行排列，羽枝结构为平行排列。羽轴长度为10微米，宽度为6微米，羽枝长度为2微米。
用接触角测量仪对水下航行器外壳减阻表面和航行器外壳无结构表面进行润湿性和液固摩擦力测试。
水下航行器外壳减阻表面：静态接触角为153°，滚动角为4°。
航行器外壳无结构表面：静态接触角为125°，滚动角为30°。
水下航行器外壳减阻表面和航行器外壳无结构表面摩擦力随时间变化如图8所示
水下航行器外壳减阻表面的静态接触角明显大于航行器外壳无结构表面，其滚动角则远远小于无结构表面，说明液体更难润湿水下航行器外壳减阻表面，且在该结构上的粘滞力很小，其液固摩擦力(20微牛)远远小于无结构表面(40微牛)，说明液体更容易从水下航行器外壳减阻表面上滚落下来，展现出良好的疏水性能，此试验表明，水下航行器外壳减阻表面在航行器行进过程中能够起到良好的疏水减阻的作用。
实施例3：
该实施例用于制造采用减阻表面的新型水下航行器外壳，选择激光直写的方法来构造此外壳表面减阻结构，组成所述羽毛形减阻结构阵列的羽毛形减阻结构由羽轴结构2和羽枝结构3组成，羽轴结构2和羽枝结构3均为沟壑结构，羽枝结构3与流体流向方向的夹角为20度。沟壑的横截面形状为圆形，羽轴结构2呈直线型，羽枝结构3呈直线型，羽轴结构2和羽枝结构3的宽度比为3:1。羽毛形减阻结构在航行器外壳上表面呈现均匀分布，上表面羽轴结构尺寸小于下表面羽轴结构尺寸。羽轴结构为平行排列，羽枝结构为平行排列。羽轴长度为20微米，宽度为7微米，羽枝长度为3.5微米。
用接触角测量仪对水下航行器外壳减阻表面和航行器外壳无结构表面进行润湿性和液固摩擦力测试。
水下航行器外壳减阻表面：静态接触角为157°，滚动角为4°。
航行器外壳无结构表面：静态接触角为122°，滚动角为35°。
水下航行器外壳减阻表面和航行器外壳无结构表面摩擦力随时间变化如图8所示
水下航行器外壳减阻表面的静态接触角明显大于航行器外壳无结构表面，其滚动角则远远小于无结构表面，说明液体更难润湿水下航行器外壳减阻表面，且在该结构上的粘滞力很小，其液固摩擦力(65微牛)远远小于无结构表面(41微牛)，说明液体更容易从水下航行器外壳减阻表面上滚落下来，展现出良好的疏水性能，此试验表明，水下航行器外壳减阻表面在航行器行进过程中能够起到良好的疏水减阻的作用。
实施例4：
该实施例用于制造采用减阻表面的新型水下航行器外壳，选择增材制造的方法来构造此外壳表面减阻结构，组成所述羽毛形减阻结构阵列的羽毛形减阻结构由羽轴结构2和羽枝结构3组成，羽轴结构2和羽枝结构3均为凸起结构，羽枝结构3与流体流向方向的夹角为35度。凸起的横截面形状为正方形，羽轴结构2呈曲线型，羽枝结构3呈曲线型，羽轴结构2和羽枝结构3的宽度比可为5:1。羽毛形减阻结构在航行器外壳上表面呈现均匀分布，上表面羽轴结构尺寸大于下表面羽轴结构尺寸。羽轴结构为平行排列，羽枝结构为平行排列。羽轴长度为21微米，宽度为8.5微米，羽枝长度为1.8微米。
用接触角测量仪对水下航行器外壳减阻表面和航行器外壳无结构表面进行润湿性和液固摩擦力测试。
水下航行器外壳减阻表面：静态接触角为158°，滚动角为2°。
航行器外壳无结构表面：静态接触角为125°，滚动角为32°。
水下航行器外壳减阻表面和航行器外壳无结构表面摩擦力随时间变化如图8所示
水下航行器外壳减阻表面的静态接触角明显大于航行器外壳无结构表面，其滚动角则远远小于无结构表面，说明液体更难润湿水下航行器外壳减阻表面，且在该结构上的粘滞力很小，其液固摩擦力(59微牛)远远小于无结构表面(39微牛)，说明液体更容易从水下航行器外壳减阻表面上滚落下来，展现出良好的疏水性能，此试验表明，水下航行器外壳减阻表面在航行器行进过程中能够起到良好的疏水减阻的作用。
实施例5：
该实施例用于制造采用减阻表面的新型水下航行器外壳，选择模板法来构造此外壳表面减阻结构，组成所述羽毛形减阻结构阵列的羽毛形减阻结构由羽轴结构2和羽枝结构3组成，羽轴结构2和羽枝结构3均为凸起结构，羽枝结构3与流体流向方向的夹角为50度。凸起的横截面形状为三角形，羽轴结构2呈曲线型，羽枝结构3呈直线型，羽轴结构2和羽枝结构3的宽度比可为5.5:1。羽毛形减阻结构在航行器外壳上表面呈现均匀分布，上表面羽轴结构尺寸大于下表面羽轴结构尺寸。羽轴结构为平行排列，羽枝结构为平行排列。羽轴长度为30微米，宽度为8微米，羽枝长度为4微米。
用接触角测量仪对水下航行器外壳减阻表面和航行器外壳无结构表面进行润湿性和液固摩擦力测试。
水下航行器外壳减阻表面：静态接触角为155°，滚动角为5°。
航行器外壳无结构表面：静态接触角为120°，滚动角为38°。
水下航行器外壳减阻表面和航行器外壳无结构表面摩擦力随时间变化如图8所示
水下航行器外壳减阻表面的静态接触角明显大于航行器外壳无结构表面，其滚动角则远远小于无结构表面，说明液体更难润湿水下航行器外壳减阻表面，且在该结构上的粘滞力很小，其液固摩擦力(65微牛)远远小于无结构表面(41微牛)，说明液体更容易从水下航行器外壳减阻表面上滚落下来，展现出良好的疏水性能，此试验表明，水下航行器外壳减阻表面在航行器行进过程中能够起到良好的疏水减阻的作用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
1.一种水下航行器外壳减阻表面结构，其特征在于：包括设于水下航行器外壳的羽毛形减阻结构阵列，所述羽毛形减阻结构阵列在水下航行器外壳上下表面呈非对称分布，所述非对称分布为羽毛形减阻结构阵列在水下航行器外壳上下表面的结构非对称、结构尺寸非对称或排布方式非对称中的一种或多种的组合；组成羽毛形减阻结构阵列的羽毛形减阻结构由羽轴结构和羽枝结构组成，其中，所述羽轴结构沿着航行器外壳表面流体流向排列，所述羽枝结构顺流方向的分布于羽轴结构两侧。
2.如权利要求1所述的水下航行器外壳减阻表面结构，其特征在于：所述羽轴结构和羽枝结构均由设于水下航行器外壳表面的沟壑或凸起形成。
3.如权利要求2所述的水下航行器外壳减阻表面结构，其特征在于：所述羽毛形减阻结构中羽轴和羽枝的横截面形状为圆形、半圆形、椭圆形、多边形和不规则形状中的任意一种或多种组合。
4.如权利要求1所述的水下航行器外壳减阻表面结构，其特征在于：所述羽轴结构和羽枝结构的宽度比为1:1～10:1。
5.如权利要求1所述的水下航行器外壳减阻表面结构，其特征在于：所述羽轴结构和羽枝结构为直线型、曲线型和不规则线条型中的一种或者几种组合。
6.如权利要求3所述的水下航行器外壳减阻表面结构，其特征在于：所述结构非对称是指羽毛形减阻结构在水下航行器外壳上下表面采用不同的结构形状；具体的，在水下航行器外壳上、下表面，羽毛形减阻结构分别采用不同形状，或者随着水下深度增加，羽毛形减阻结构的形状规律变化。
7.如权利要求1所述的水下航行器外壳减阻表面结构，其特征在于：所述结构尺寸非对称是指羽毛形减阻结构在水下航行器外壳上下表面采用不同的尺寸级别；具体的，在水下航行器外壳上、下表面，羽毛形减阻结构的尺寸分别均一分布，或者随着水下深度增加，羽毛形减阻结构逐渐减小。
8.如权利要求1所述的水下航行器外壳减阻表面结构，其特征在于：所述排布方式非对称是指羽毛形减阻结构在水下航行器外壳上下表面采用不同的排布方式；具体的，在水下航行器外壳上、下表面，羽毛形减阻结构的排布方式分别采用均一排布，或者随着水下深度增加，羽毛形减阻结构的排布方式规律变化。
9.如权利要求1所述的水下航行器外壳减阻表面结构，其特征在于：所述排布方式包括羽毛形减阻结构的密度排布和取向排布，所述密度排布包括羽毛形减阻结构阵列中单位面积内羽毛形减阻结构的密度排布和单个羽毛形减阻结构中羽枝结构的密度排布；所述取向排布包括羽轴结构的取向排布和羽枝结构的取向排布。
10.如权利要求7所述的水下航行器外壳减阻表面结构，其特征在于：所述羽轴结构的取向排布包括平行排列和非平行排列；所述羽枝结构的排列方式可为纵横对齐整齐排列、纵横交错排列和不规则排列中的一种或者几种组合。
技术总结