CN101628620A

CN101628620A - 水下飞机

Info

Publication number: CN101628620A
Application number: CN200910194650A
Authority: CN
Inventors: 葛彤; 吴超; 颜翚; 王强; 庄广胶; 刘建民
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2010-01-20

Abstract

一种海洋工程领域的水下飞机，包括：主翼、壳体、动力装置、起落装置、控制***和稳定操纵机构，其中：一对主翼对称设置于壳体的外部两侧，起落装置、稳定操纵机构和动力装置分别与壳体固定连接，起落装置位于动力装置的下方，控制***位于壳体内部并分别与主翼、动力装置、稳定操纵机构和起落装置相连接。本发明具有良好的隐蔽性，高负载能力，低能耗的特点。

Description

水下飞机

技术领域

本发明涉及的是一种海洋工程技术领域的装置，具体是一种水下飞机。

背景技术

海洋水下勘探、运输和作业中大量使用各种水下飞机，分为载人型水下飞机和无人潜航器两大类。这两种运载器在水下航行时，都具有正浮力或者是零浮力状态。飞机同样在流体中运动，和潜器不同，它在自身重量大大超过浮力的情况下，通过主翼绕流产生的升力，飞行在空气中，并且通过调节主翼攻角，改变姿态。在空气中，产生足以与飞机自身重量平衡的升力，需要非常大的速度，而在水中，更低的航行速度即可提供更大的升力。

水下飞机或者配置浮力调节装置或者需要填充大量的浮力材料，这些装置和材料占用了很多空间，也导致运载器负载能力的减小和整体重量的增加，并且当浮力与重力并不相等的时候，还需要依靠推进器的配合来产生垂直方向的力。水下飞机在水下作业时，能量的输入和通讯或者依靠连接水面和水下的脐带缆，或者只依靠自己携带的有限的能量。带缆的运载器需要复杂的水面支持***和母船相配合，使用成本高，隐蔽性差。无缆运载器省去了复杂的水面支持设备和母船，使用维护成本低，隐蔽性好，但其作业时间极大地受到能量的限制，由于水下飞机必须保持正浮力或者是零浮力状态，负载能力也大大受限，不利于其广泛应用。因此，提高能量的利用效率以延长其水下持续工作时间和航程，和提高水下飞机的负载能力是水下飞机领域的重要课题之一。

经过对现有技术的检索发现，格拉哈姆·霍克斯(Graham Hawkes)研制出一种新型潜水机器“超级猎鹰”(Deep Flight Super Falcon)，具有非常新颖的潜水性能。“超级猎鹰”利用主翼上的向下的“升力”，从而使潜艇向深处下潜。这种潜水机器特点是航速高，无动力时可以自行上浮。但是这种潜水器下潜主要依靠推进器推动使其运动产生向下的力，使其运动产生向下的力，隐蔽性不好，为了维持下潜状态能耗大。并且，为使其自身重力小于水中的浮力，负载能力差。在实际海洋勘探、运输或者军事用途中，良好的隐蔽性，高负载能力，低能耗，都是重要的需求指标，理想水下飞机需要在这些方面都具有满意的性能，现有的技术不能满足这种要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种水下飞机。本发明通过使得外形升力焦点位于浮心和重心的后部，使其具有良好的隐蔽性，高负载能力，低能耗的特点。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：主翼、壳体、动力装置、起落装置、控制***和稳定操纵机构，其中：一对主翼对称设置于壳体的外部两侧，起落装置、稳定操纵机构和动力装置分别与壳体固定连接，起落装置位于动力装置的下方，控制***位于壳体内部并分别与主翼、动力装置、稳定操纵机构和起落装置相连接，主翼与壳体产生的外形升力焦点位于所述水下飞机的浮心和重心的后部。

所述的壳体包括：透水外壳和耐压舱，其中：耐压舱密封设置于外壳内部，稳定操纵机构位于耐压舱内，主翼、动力装置和起落装置分别与透水外壳固定连接。

所述的透水外壳包括：透水外壳头部、透水外壳中部与透水外壳尾部，其中：透水外壳中部的两端分别连接透水外壳头部和透水外壳尾部。

所述的透水外壳头部为半球体，所述的透水外壳中部为长径比在4~6之间的回转体，该透水外壳尾部的末端收尖，具有低流体阻力外形。

所述的主翼为低雷诺数翼型结构，在水中具有中性浮力，所述的主翼仅提供流体升力，不提供浮力，以平衡水下飞机在水中的重力，另外主翼也有一定的稳定操纵作用，装置于主体中前部，对称分布于透水外壳左右两侧。

所述的控制***包括：中央控制计算机组、深度传感器、姿态传感器、罗盘、GPS接收机、天线和无线电通讯控制器，其中：天线固定设置于壳体外部，GPS接收机和无线电通讯控制器均与天线连接以接收外部传递的位置信息及运动控制信号，中央控制计算机组分别连接推进器、深度传感器、姿态传感器、罗盘、GPS接收机和无线电通讯控制器以分别传输推力分配控制信息、深度信息、姿态信息、角速度信息、位置信息和运动控制信号，实现全***的综合控制。

所述的动力装置包括：电池、电机和螺旋桨，其中：电池和电机固定设置于壳体内部，电机的输出轴与螺旋桨防水连接，螺旋桨位于壳体外部，电池和电机分别与稳定操纵结构相连接以提供控制水下飞机运动所需要的能源及动力。

所述的起落装置包括：若干定向轮，该定向轮固定设置于壳体的外部下方。

所述的稳定操纵机构包括：垂直尾翼和水平尾翼，其中：垂直尾翼和水平尾翼均固定设置于在壳体的末端并分别与控制***相连接。

所述的水平尾翼包括：水平安定面和水平舵，其中：水平安定面固定设置于壳体的后部且对称分布于壳体中纵剖面两侧，水平舵位于水平安定面的后方且活动设置于壳体的后部并与水平安定面位于同一水平面上。

所述的垂直尾翼包括：垂直安定面和垂直舵，其中：垂直安定面固定设置于壳体的后部且位于壳体的垂直对称面内，垂直舵位于垂直安定面后方且活动设置于壳体的后部并与垂直安定面位于同一垂直面上。

所述的垂直舵和水平舵的剖面是具有低流体阻力的翼型，当水平舵转动时，产生垂直方向的力矩，可以调节水下飞机的纵倾，垂直舵转动时，产生水平方向的力矩，调节水下飞机的艏向角。

所述的壳体为细长体结构，所述的控制***、电池和电机具***于耐压舱内部的中前部，所述的主翼固定设置于所述控制***、电池和电机位置所对应的壳体外部区域的后方，使得外形升力焦点位于浮心和重心的后部，提供足够的纵倾静稳定性。同样，水下飞机外形的侧向水动力焦点也位于重心和浮心的后部，提供足够的航向静稳定性。

本发明通过以下方式进行工作：在设计航速下，水下飞机主翼产生的升力恰好与水下飞机在水中重力平衡，水下飞机悬浮在水中航行，由水平舵调节纵倾角从而调节航行深度；需要水下飞机上浮时，加快螺旋桨转速，此时主翼产生更大的升力，并调节水平尾舵的舵角，使水下飞机产生正的纵倾角(抬头为正)，水下飞机在升力作用下，建立起前进和上升速度，在水中航行；需要隐蔽在水中或者降低航行深度时，关闭推进器，水下飞机在惯性下前进，此时主翼产生升力减小，并调节水平尾舵的舵角，使水下飞机产生负的纵倾角(抬头为正)，水下飞机在自身重力和升力作用下，建立起前进和下潜速度，安静地航行至期望深度，实现隐蔽的无动力下潜。航行过程中，调节垂直尾舵，在水下飞机主翼平面内产生偏航角，改变水下飞机空间运动姿态，同时通过两个推进器推力的配合，共同产生沿纵轴方向的推力，以及在水下飞机主翼平面内的偏航力矩。通过对主翼平面内推力和偏航力矩以及空间姿态的联合控制，实现水下飞机在主翼平面上的空间机动。

本发明自身重量大于在水中的浮力，增加了主翼，通过调节螺旋桨转速从而使主翼产生升力来配平其水中重量，可以节省大量空间和能量，极大地提高负载能力，结构设计紧凑，简单可靠并且在无动力下潜过程中，没有噪音，具有很好的隐蔽性。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明侧视图。

图3是耐压舱内布置示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、2、3所示，本实施例包括：主翼1、壳体2、动力装置3、起落装置4、控制***5和稳定操纵机构6，其中：一对主翼1对称设置于壳体2的外部两侧，起落装置4、稳定操纵机构6和动力装置3分别与壳体2固定连接，起落装置4位于动力装置3的下方，控制***5位于壳体2内部并分别与主翼1、动力装置3、稳定操纵机构6和起落装置4相连接。

所述的壳体2包括：透水外壳7和耐压舱8，其中：耐压舱8密封设置于外壳内部，稳定操纵机构6位于耐压舱8内，主翼1、动力装置3和起落装置4分别与透水外壳7固定连接。

所述的透水外壳7包括：外壳头部9、外壳中部10与外壳尾部11，其中：外壳中部10的两端分别连接外壳头部9和外壳尾部11。

所述的外壳头部9为半球体，所述的外壳中部10为长径比在4~6之间的回转体，该外壳尾部11的末端收尖，具有低流体阻力外形。

所述的主翼1为低雷诺数翼型结构，在水中具有中性浮力，所述的主翼仅提供流体升力，不提供浮力，以平衡水下飞机在水中的重力，另外主翼1也有一定的稳定操纵作用，装置于主体中前部，对称分布于透水外壳7左右两侧。

所述的控制***5包括：中央控制计算机组12、深度传感器13、姿态传感器14、罗盘15、GPS接收机16、天线17和无线电通讯控制器18，其中：天线17固定设置于壳体2外部，GPS接收机16和无线电通讯控制器18均与天线17连接以接收外部传递的位置信息及运动控制信号，中央控制计算机组12分别连接推进器、深度传感器13、姿态传感器14、罗盘15、GPS接收机16和无线电通讯控制器18以分别传输推力分配控制信息、深度信息、姿态信息、角速度信息、位置信息和运动控制信号，实现全***的综合控制。

所述的动力装置3包括：电池19、电机20和螺旋桨21，其中：电池19和电机20固定设置于壳体2内部，电机20的输出轴与螺旋桨21防水连接，螺旋桨21位于壳体2外部，电池19和电机20分别与稳定操纵结构相连接以提供控制水下飞机运动所需要的能源及动力。

所述的起落装置4包括：若干定向轮22，该定向轮22固定设置于壳体2的外部下方。

所述的稳定操纵机构6包括：垂直尾翼23和水平尾翼24，其中：垂直尾翼23和水平尾翼24均固定设置于在壳体2的末端并分别与控制***5相连接。

所述的水平尾翼24包括：水平安定面25和水平舵26，其中：水平安定面25固定设置于壳体2的后部且对称分布于壳体2中纵剖面两侧，水平舵26位于水平安定面25的后方且活动设置于壳体2的后部并与水平安定面25位于同一水平面上。

所述的垂直尾翼23包括：垂直安定面27和垂直舵28，其中：垂直安定面27固定设置于壳体2的后部且位于壳体2的垂直对称面内，垂直舵28位于垂直安定面27后方且活动设置于壳体2的后部并与垂直安定面27位于同一垂直面上。

所述的垂直舵28和水平舵26的剖面是具有低流体阻力的翼型，当水平舵26转动时，产生垂直方向的力矩，可以调节水下飞机的纵倾，垂直舵28转动时，产生水平方向的力矩，调节水下飞机的艏向角。

所述的壳体2为细长体结构，所述的控制***5、电池19和电机20具***于耐压舱8内部的中前部，所述的主翼1固定设置于所述控制***5、电池19和电机20位置所对应的壳体2外部区域的后方，使得外形升力焦点位于浮心和重心的后部，提供足够的纵倾静稳定性。同样，水下飞机外形的侧向水动力焦点也位于重心和浮心的后部，提供足够的航向静稳定性。

当水下飞机从水底开始运动时，推进器3推动水下飞机向前运动时，水下飞机通过定向轮22在水底运动，直到前进的速度使主翼1产生足够的升力时，它才离开水底，开始悬浮在水中某一深度航行；当水下飞机需要下潜至水底时，水下飞机降至水底，通过定向轮22滑行。水平舵26转动时，产生垂直方向的力矩，可以调节水下飞机的纵倾，垂直舵28转动时，产生水平方向的力矩，调节水下飞机的艏向角。

在水下飞机的调节运动中，始终保持其***具有一定的稳性高。水下飞机的外形升力焦点位于浮心和重心的后部，提供足够的纵倾静稳定性。同样，水下飞机外形的侧向水动力焦点位于重心和浮心的后部，提供足够的航向静稳定性。

中央控制计算机对水下飞机的控制策略是这样的：在设计航速下，水下飞机主翼1产生的升力恰好与水中重力平衡，水下飞机悬浮在水中航行，由水平舵26调节纵倾角从而调节航行深度；需要水下飞机上浮时，加快螺旋桨21转速，此时主翼1产生更大的升力，并调节水平舵26的舵角，使水下飞机产生正的纵倾角(抬头为正)，水下飞机在升力作用下，建立起前进和上升速度，达到期望深度在水中航行；需要隐蔽在水中或者降低航行深度时，关闭推进器，水下飞机在惯性下继续前进，此时主翼1产生升力减小，并调节水平舵26的舵角，使水下飞机产生负的纵倾角(抬头为正)，水下飞机在自身重力和升力作用下，建立起前进和下潜速度，安静地航行至期望深度，实现隐蔽的无动力下潜。航行过程中，调节垂直尾舵，在水下飞机主翼1平面内产生偏航角，改变水下飞机空间运动姿态，同时通过两个推进器推力的配合，共同产生沿纵轴方向的推力，以及在水下飞机主翼1平面内的偏航力矩。通过对主翼1平面内推力和偏航力矩以及空间姿态的联合控制，实现水下飞机在主翼1平面上的空间机动。

当中央控制计算机决策出需要调节水平舵26的舵角，则由中央控制计算机发出指令，驱动水平舵26机转动，；当中央控制计算机决策出需要调节垂直舵28的舵角，则由中央控制计算机发出指令，驱动垂直舵28转动至某一角度；当中央控制计算机决策出需要对推进器进行推力分配，则由中央控制计算机发出指令，驱动一对电机20分别转动，产生轴向推力或者水下飞机主翼1平面内的偏航力矩。

Claims

1、一种水下飞机，包括：主翼、壳体、动力装置、起落装置、控制***和稳定操纵机构，其中：一对主翼对称设置于壳体的外部两侧，起落装置、稳定操纵机构和动力装置分别与壳体固定连接，起落装置位于动力装置的下方，控制***位于壳体内部并分别与主翼、动力装置、稳定操纵机构和起落装置相连接，其特征在于：主翼与壳体产生的外形升力焦点位于所述水下飞机的浮心和重心的后部。

2、根据权利要求1所述的水下飞机，其特征是，所述的壳体包括：透水外壳和耐压舱，其中：耐压舱密封设置于外壳内部，稳定操纵机构位于耐压舱内，主翼、动力装置和起落装置分别与透水外壳固定连接。

3、根据权利要求1所述的水下飞机，其特征是，所述的主翼为低雷诺数翼型结构。

4、根据权利要求1所述的水下飞机，其特征是，所述的控制***包括：中央控制计算机组、深度传感器、姿态传感器、罗盘、GPS接收机、天线和无线电通讯控制器，其中：天线固定设置于壳体外部，GPS接收机和无线电通讯控制器均与天线连接以接收外部传递的位置信息及运动控制信号，中央控制计算机组分别连接推进器、深度传感器、姿态传感器、罗盘、GPS接收机和无线电通讯控制器。

5、根据权利要求1所述的水下飞机，其特征是，所述的动力装置包括：电池、电机和螺旋桨，其中：电池和电机固定设置于壳体内部，电机的输出轴与螺旋桨防水连接，螺旋桨位于壳体外部，电池和电机分别与稳定操纵结构相连接。

6、根据权利要求1所述的水下飞机，其特征是，所述的起落装置包括：若干定向轮，该定向轮固定设置于壳体的外部下方。

7、根据权利要求1所述的水下飞机，其特征是，所述的稳定操纵机构包括：垂直尾翼和水平尾翼，其中：垂直尾翼和水平尾翼均固定设置于在壳体的末端并分别与控制***相连接。

8、根据权利要求7所述的水下飞机，其特征是，所述的水平尾翼包括：水平安定面和水平舵，其中：水平安定面固定设置于壳体的后部且对称分布于壳体中纵剖面两侧，水平舵位于水平安定面的后方且活动设置于壳体的后部并与水平安定面位于同一水平面上。

9、根据权利要求7所述的水下飞机，其特征是，所述的垂直尾翼包括：垂直安定面和垂直舵，其中：垂直安定面固定设置于壳体的后部且位于壳体的垂直对称面内，垂直舵位于垂直安定面后方且活动设置于壳体的后部并与垂直安定面位于同一垂直面上。

10、根据权利要求9所述的水下飞机，其特征是，所述的垂直舵和水平舵的剖面是具有低流体阻力的翼型。