具有点阵超材料的抗冲击及微气泡减阻结构的飞行器弹体的制作方法

本技术涉及超材料及水下减阻的，特别是一种具有点阵超材料的抗冲击及微气泡减阻结构的飞行器弹体。

背景技术：

1、跨介质飞行器集空中飞行器高速性和水下航行体隐蔽性于一身，是我国在新型跨域飞行器领域亟需取得突破的关键点之一，未来具有极广阔的应用空间。跨介质飞行器在入水过程中由于外界扰动和自身的姿态不稳定性的作用，通常是带有攻角入水，会在弹体的头锥连接段造成较大弯矩。同时跨介质飞行器在入水后仍然需要保持较高的巡航速度，进一步突破传统水下兵器的速度极限，利用速度优势达到攻击的突然性和拦截水下威胁的有效性。提高跨介质飞行器高速入水过程结构的安全性和减小航行体表面阻力、提高水下巡航速度是未来跨介质飞行器的必备特性。

2、由于空气和水两种介质的密度差大约为800倍，跨介质航行体在跨越水空界面过程中，入水瞬间冲击载荷巨大，冲击压力的脉宽往往在毫秒量级，30米/秒入水速度时模型头部前端冲击压力可超过200mpa。传统的跨介质航行体在入水前通过降落伞减速降低入水速度，并通过缓冲头帽保护壳体结构以及内部仪器免受入水冲击载荷的危害。然而，通过减速伞达到缓冲的目的会大大牺牲跨介质武器入水之后的速度，对其快速有效地打击目标造成严重影响。

3、弹体在水下高速巡航阶段会产生较大的阻力。其中摩擦阻力通常占到总阻力的百分之70以上，而湍流阻力又远大于层流阻力，因此为克服摩擦阻力通常需要额外消耗弹上大量的能源。因此降低弹体表面的湍流摩擦阻力是跨介质飞行器研制过程中另外一个需要突破的技术难点。

4、传统的水下减阻方法通常包括外形减阻、壁面主被动流动控制减阻、表面微结构减阻、超空泡减阻和微气泡减阻，其中超空泡减阻和微气泡减阻适用于水下高速航行体。超空泡减阻是指在水下航行体表面通过自然空化或者通气空化形成完全包裹弹体的空泡，将固液界面转换为固气界面，使表面摩擦阻力大幅度减小，从而达到高速航行的目的。虽然超空泡减阻能大幅度提高航行体的巡航速度，但是由于目前推进技术的限制，还很难达到形成超空泡的速度，而且超空泡稳定性机理非常复杂，水下的各种扰动都易造成空泡的失稳，同时由于大部分弹体都位于空泡内，舵面难以对弹体产生足够的控制力。微气泡减阻是在边界层中通入微气泡流，形成气-液混合层，通过改变边界层的结构达到减阻目的的一种方法。微气泡减阻由于减阻率大、可应用性好，是水中兵器最具前景的减阻方法之一。其机理在于改变近壁面流体的流动特性，减小黏性阻力，最终达到减小摩擦阻力的目的。

5、超材料是通过人工结构实现超常特性的一大类新型材料，它拥有天然材料所不具备的超常物理性质，有望成为一系列变革性技术的源头。近年来，超材料在电磁、力热、声学等领域展现出巨大的应用潜力和发展空间。

技术实现思路

1、本发明提出一种具有点阵超材料的抗冲击及微气泡减阻结构的飞行器弹体，使跨介质飞行器实现高速抗冲击入水和水下高速航行，进一步提高飞行器的效能，本发明对实现跨介质飞行器轻质高强高效具有重要意义。

2、第一方面，提供了一种具有点阵超材料的抗冲击及微气泡减阻结构的飞行器弹体，包括柱段、锥段和锥柱连接段；

3、柱段设置有压力室和通气管路，锥段设置有战斗部和引信，用于在入水过程中撞水并开空泡，锥柱连接段连接柱段和锥段，锥柱连接段设置有点阵结构和稳压室；

4、点阵结构为锥柱连接段的承载结构，点阵结构的内壁侧为稳压室，点阵结构的外壁侧为表面蒙皮，点阵结构的支撑杆为空心结构形成微流道，表面蒙皮上开有多个表面微孔，压力室通过通气管路与稳压室连通，稳压室为点阵结构供气，稳压室通过支撑杆的微流道与表面蒙皮上的表面微孔连通。

5、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述锥段的前部是平面结构，锥段角度与弹体轴线呈3～5°的夹角。

6、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，表面蒙皮上的表面微孔孔隙直径φ为8～12μm，与支撑杆微流道内径一致。

7、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，点阵结构的基本胞元包括八面体面心立方结构，八面体面心立方结构位于基本胞元的中心。

8、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，八面体面心立方结构由十二根支撑杆构成，十二根支撑杆分为上方的4个支撑杆、中间的4个支撑杆和下方的4个支撑杆；

9、中间的4个支撑杆收尾相连，中间的4个支撑杆中的每个支撑杆的端部均位于包络基本胞元的长方体侧面的中心；

10、上方的4个支撑杆与中间的4个支撑杆分别连接，与中间的4个支撑杆形成方锥形，上方的4个支撑杆交汇于包络基本胞元长方体的上表面中心，上方的4个支撑杆的剩余端部分别与包络基本胞元长方体的4个侧面中心连接；

11、下方的4个支撑杆与中间的4个支撑杆分别连接，与中间的4个支撑杆形成方锥形，下方的4个支撑杆交汇于包络基本胞元长方体的下表面中心，下方的4个支撑杆的剩余端部分别与包络基本胞元长方体的4个侧面中心连接。

12、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，点阵结构的基本胞元还包括8个四面体结构，分别为上方的4个四面体结构和下方的4个四面体结构，四面体结构包括3个支撑杆，其中一个支撑杆与八面体面心立方结构的中间支撑杆的中点连接，另外两个支撑杆与八面体面心立方结构的相邻两个上/下方支撑杆的中点连接。

13、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，四面体结构的3个支撑杆交汇于包络基本胞元长方体的端点上形成四面体。

14、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，包络基本胞元长方体的端点位置通过一个支撑杆与四面体结构3个支撑杆交汇的位置连接。

15、第二方面，提供了一种具有点阵超材料的抗冲击及微气泡减阻结构，包括点阵结构，点阵结构的内壁侧为稳压室，点阵结构的外壁侧为表面蒙皮，点阵结构的支撑杆为空心结构形成微流道，表面蒙皮上开有多个表面微孔，稳压室为点阵结构供气，稳压室通过支撑杆的微流道与表面蒙皮上的表面微孔连通。

16、第三方面，提供了一种飞行器，所述飞行器包括如上述第一方面中的任意一种实现方式中所述的飞行器弹体。

17、本发明目的是提供一种基于点阵超材料的抗冲击及微气泡减阻结构，适用于跨介质飞行器高速入水抗冲击头锥结构和水下高速航行减阻。由于跨介质飞行器在入水过程中由于攻角的存在，在弹体头部受到极大冲击力的情况下，整体极易产生弯矩载荷，尤其是在头锥和柱段连接处会产生极大的弯矩。在弹体入水过程中，由于外界扰动将会发生尾拍现象，造成弹体结构的失稳和破坏。在弹体完全入水之后，减小摩擦阻力、提高航行体的速度目前仍是难点之一。近壁面附近的微气泡流会改变近壁面的粘性系数和流体密度，同时微气泡的存在还改变了边界层的结构以及剪切湍流中存在拟序结构，这两种因素是微气泡能够减阻的主要原因。

18、在典型跨介质飞行器锥柱连接段的轻质抗冲击结构设计方面，轻质点阵材料和结构因其高可压缩性和低相对密度等有利机械性能，在承载和能量吸收中被广泛使用。随着增材制造技术的进步，点阵结构的基本胞元及几何结构可以按照不同的应用场景定制，包括不同的材料属性和随特定应用情景下的共形特征。因此本发明提出了一种基于3d打印技术的超材料点阵结构，用于跨介质飞行器的锥柱连接段结构，即使用增材制造技术，可控地制造出更有序和复杂的点阵微结构，通过更精确地定制点阵胞元以抵抗高速冲击造成的弯矩。由于3d打印技术的灵活性，本发明采用熔融沉积建模为基础的3d打印技术用于制造金属点阵结构，基本的点阵胞元以八面体结构为主体，目的是在不明显降低刚度和强度的情况下增强能量吸收能力。

19、在微气泡减阻方面，为了产生大量微米尺度的气泡，以及具有一定的承载作用，传统的微气泡产生方法多采用具有明显孔隙特征的金属功能材料，即金属多孔材料。常见的金属多孔材料常采用烧结法、沉积法、铸造法等方法制备，虽然工艺成熟，但是存在孔隙大小和分布不均匀、表面光洁度差等缺点，因此通过多孔材料产生的微气泡尺寸一般均服从正态分布，对边界层作用的尺度效应明显，减阻效果不可控。因此本发明提出了一种基于3d打印技术的微孔隙制备方法，在金属点阵胞元的支撑杆内部构造微流道，将一定压力的气体通过微流道通入弹体表面，形成均匀分布的离散微气泡，通过改变近壁面边界层中的湍流拟序结构，抑制“猝发”作用的产生，降低摩擦阻力。

20、在本发明中，微气泡通过点阵结构支撑杆中的微流道流通到弹体表面，形成包裹弹体的微气泡层，用以调控边界层的湍流结构。点阵结构使用3d打印技术制备，形成低密度、高强度的抗弯矩结构，用在跨介质飞行器锥柱连接段。