CN104589938B - 一种仿飞鱼可变构型跨介质飞行器 - Google Patents

Abstract

一种仿飞鱼可变构型跨介质飞行器，一对机翼（2）分别活动安装在机身（1）的中部两侧，一对鸭翼（3）分别安装在机身（1）的中后部下方，机翼（2）和鸭翼（3）能绕各自的旋转轴旋转来改变攻角角度，襟翼和副翼分别布置在机翼（2）内侧和外侧，空中推进可折叠螺旋桨（4）安装在机身（1）头部，V形尾翼（5）安装在机身（1）中后段，水下推进螺旋桨（6）安装在机身（1）尾部，整流罩（7）安装在机身（1）头部中下方。本发明的优点是：采用本发明设计出的跨介质飞行器具有兼顾空气和水两种不同介质的气水动布局和轻质耐压可变构型结构，且易于实现多模式控制和水密封，可满足多种军民用需求。

Description

一种仿飞鱼可变构型跨介质飞行器

技术领域

本发明涉及飞行器领域，具体涉及一种仿飞鱼可变构型跨介质飞行器。

背景技术

目前，跨介质新概念飞行器是由飞行器、水下航行器等多专业集成设计的，既可在空中飞行，又可在近水面飞行，还能在水下潜行的多功能一体化新型装备。该飞行器的工作模式可分为空中飞行模式、近水面飞行模式、出入水面模式和水下潜行模式，可根据任务需求在各种工作模式之间进行转换。

跨介质有人飞行器能利用各种探测设备的盲区，切换海空运行模式来躲避敌方的监视，以非常规的方式实现“隐身”作战，可用于执行海上侦察、打击、特种兵力投送等任务。跨介质无人飞行器可与潜艇、水面舰艇等装备配套，用于执行跨海空的情报搜集、侦查监视、通信中继、电子对抗等任务。鉴于跨介质飞行器具有重要的军事价值和广阔的应用前景，国内外各主要军事强国一直在从事该类新型装备的开发，并取得了一系列的研究成果。但由于跨介质飞行器核心技术覆盖的专业领域广、技术难度大，尤其涉及到水下航行的设计部分，与航空器设计存在很大的区别，主要体现在布局、结构、动力、控制和水密封设计等方面，目前国内外在该领域的研究基本上都还处于总体概念设计、关键技术攻关和样机验证阶段，尚未有国家成功研制出具有工程实用价值的产品。

发明内容

本发明的目的就是针对尚未有国家成功研制出具有工程实用价值的跨介质飞行器产品，而提供一种仿飞鱼可变构型跨介质飞行器。

本发明包括机身、机翼、一对鸭翼、襟翼、副翼、空中推进可折叠螺旋桨、尾翼、水下推进螺旋桨和整流罩，机身是仿飞鱼流线型机身，且一对机翼和一对鸭翼形成组合式机翼模仿飞鱼胸鳍的外形布局，机翼的翼梢是仿尖尾雨燕飞行时双翅稍部的外形，一对机翼分别活动安装在机身的中部两侧，一对鸭翼分别安装在机身的中后部下方，机翼和鸭翼能绕各自的旋转轴进行旋转来改变攻角角度，水下潜行时通过调节机翼和鸭翼的正负攻角来控制飞行器上浮或下潜，襟翼和副翼分别布置在机翼内侧和外侧，空中推进可折叠螺旋桨安装在机身的头部，尾翼呈V形安装在机身中后段，水下推进螺旋桨安装在机身尾部，整流罩安装在靠近机身头部的中下方。

本发明的优点是：本发明提出的仿飞鱼可旋转组合式机翼跨介质飞行器具有先进的气水动布局、轻质耐压结构，结构变体能力、多模式控制能力和水密封性能好，能较好地实现跨介质运行，可满足多种军民用需求。

具体的技术解决途径如下：

1、在跨介质使用的气、水动布局综合设计方面，严格遵循飞行器和潜航器基本设计原则，通过模仿海洋生物飞鱼的身体外形和部分运动机理，完成了气、水动布局方案设计。基于仿生学原理的布局设计方法不仅使方案设计更加科学，还可以大大减小空中飞行尤其是水下潜行的阻力。另外，采用可旋转式组合水翼来控制飞行器上浮或下潜，较采用常规潜水器进排水***设计的结构重量更轻。

2、在可变构形轻质耐压结构与水密封设计方面，采用碳纤维增强复合材料、玻璃钢等高强度、高质量比材料来成型非常规的新型抗压机体，使飞行器在重量足够轻的同时还具有很好的抗压能力，同时机身横向布置环形承压隔框，纵向采用纵向承力构件，通过整体成型技术、布置分段式水密舱、法兰密封技术和动密封技术等方式来实现轻质耐压水密结构设计，可大大提高机体结构的水密封性能。

3、在跨介质使用动力能源和推进***适配方案方面，采用油电混合式动力***，即空中飞行时使用航空发动机驱动推进装置，同时给蓄电池充电，水下使用蓄电池作为动力能源实现水下推进，较好地解决了空中和水下动力能源不兼容的问题；在推进装置的选择上，由于航空推进和水下推进装置的设计机理差别较大，较为明显的是空中和水下螺旋桨翼型和尺寸有很大的区别，因此倾向于空中和水下分别采用一套匹配的推进装置，即空中采用航空螺旋桨推进，可以减小发动机进气道开口以利于水密封，水下推进中小型方案采用船用螺旋桨，大型方案采用泵喷射装置实现推进。

4、在跨介质飞行器控制策略方面，首先可通过合理控制飞行器的速度，使其在不同介质中运行时的雷诺数接近或相同。鉴于空中和水下采用的通信方式不同，因此需要设计一套兼容短波通信和长波通信的控制装置。其次，飞行器需要在水面起降和水下航行，当风浪较大时将对其运行稳定性产生一定的影响，可采用智能控制等先进的控制算法来实现小扰动控制。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是本发明在水下变形状态结构示意图。

具体实施方式

本发明包括机身1、机翼2、一对鸭翼3、襟翼、副翼、空中推进可折叠螺旋桨4、尾翼5、水下推进螺旋桨6和整流罩7，机身1是仿飞鱼流线型机身，且一对机翼2和一对鸭翼3形成组合式机翼模仿飞鱼胸鳍的外形布局，机翼2的翼梢是仿尖尾雨燕飞行时双翅稍部的外形，一对机翼2分别活动安装在机身1的中部两侧，一对鸭翼3分别安装在机身1的中后部下方，机翼2和鸭翼3能绕各自的旋转轴进行旋转来改变攻角角度，水下潜行时通过调节机翼2和鸭翼3的正负攻角来控制飞行器上浮或下潜，襟翼和副翼分别布置在机翼2内侧和外侧，空中推进可折叠螺旋桨4安装在机身1的头部，尾翼5呈V形安装在机身1中后段，水下推进螺旋桨6安装在机身1尾部，整流罩7安装在靠近机身1头部的中下方。

工作原理：飞鱼是海洋生物中游得较快的动物之一，平均时速可达80km/h。虽然时速不及旗鱼，但是由于飞鱼外形独特，胸鳍特别发达，像鸟类的翅膀一样，和飞行器布局有一定的关联性和相通性，因此以它为原型进行跨介质飞行器设计具有一定的科学意义。该机身1采用了流线型鱼型机身，以减小飞行和水下航行的阻力；机头布置可折叠式空中推进螺旋桨4，用于空中飞行推进，水下则折叠起来，起到减小水阻力和保护螺旋桨的作用；为了同时满足空中高升力和水下低阻力的要求，模仿飞鱼胸鳍的外形布局，另外为了满足空中和水下运行需要的升力、推力和下潜力，将一对机翼2设计成可旋转构型（变角度水翼通过一根联动轴的转动来实现正负攻角的转变，该项技术已广泛应用于船舶和军舰的减摇鳍、水翼设计），由于不存在机翼折叠收缩等大尺度的变形，因此对重心位置变化几乎没有什么影响，水中潜行时可以通过调节一对机翼2的正负攻角来控制飞行器上浮或下潜，还可以通过一对机翼2的差动运动起到增加横航向稳定性的作用；一对机翼2展长选取较小的中等展弦比，上面布置襟翼和副翼，并模仿尖尾雨燕飞行时双翅的外形对机翼翼梢进行了修型，以获得较好的气动性能；另外还有一对面积和展弦比稍小的同样可旋转的鸭翼3布置于机身中后部下方，空中飞行时可用作鸭翼提供一定的升力，水下潜行时可与主机翼配合运动，使飞行器具有良好的机动和空间立体方位转换的操纵能力，以满足飞行器出入水时近似坐地式垂直起降的需要；采用油电混合式动力***设计，空中使用内置于机身前部的涡桨发动机为飞行提供动力，同时为蓄电池充电，水下则通过蓄电池驱动布置于机体尾部的电动机和水下螺旋桨实现推进；机身尾部采用V型尾翼设计，以减小水阻力。

飞行器机体结构大范围使用碳纤维增强复合材料，满足轻质耐压结构设计要求。采用整体成型技术、布置分段式水密舱、法兰密封技术和动密封技术提高结构的水密封性能。在可变构型机构设计方面，主要包括可变角度的机翼和鸭翼以及可折叠式空中螺旋桨。变角度机翼和鸭翼通过各自联动轴的转动来实现正负攻角的转变，该项技术已广泛应用于船舶和军舰的减摇鳍、水翼设计。可折叠螺旋桨也是一项较为成熟的技术，已在同类研究的跨介质飞行器缩比验证机上成功应用。在控制策略方面，结合仿飞鱼可旋转组合式机翼跨介质飞行器的特点，设计一套兼顾空中、水面、水下不同流体扰动条件、控制模态和通信方式以及不同构型重心位置调整的多航行模式控制***，空中飞行通过组合式机翼和V型尾翼实现飞行器的机动和控制，水下则通过调整组合式机翼正负攻角、尾翼舵面和水下推进螺旋桨来进行飞行器的姿态调整和操纵。

Claims (1)

1.一种仿飞鱼可变构型跨介质飞行器，其特征在于它包括机身（1）、机翼（2）、一对鸭翼（3）、襟翼、副翼、空中推进可折叠螺旋桨（4）、尾翼（5）、水下推进螺旋桨（6）和整流罩（7），机身（1）是仿飞鱼流线型机身，且一对机翼（2）和一对鸭翼（3）形成组合式机翼模仿飞鱼胸鳍的外形布局，机翼（2）的翼梢是仿尖尾雨燕飞行时双翅稍部的外形，一对机翼（2）分别活动安装在机身（1）的中部两侧，一对鸭翼（3）分别安装在机身（1）的中后部下方，机翼（2）和鸭翼（3）能绕各自的旋转轴进行旋转来改变攻角角度，水下潜行时通过调节机翼（2）和鸭翼（3）的正负攻角来控制飞行器上浮或下潜，襟翼和副翼分别布置在机翼（2）内侧和外侧，空中推进可折叠螺旋桨（4）安装在机身（1）的头部，尾翼（5）呈V形安装在机身（1）中后段，水下推进螺旋桨（6）安装在机身（1）尾部，整流罩（7）安装在靠近机身（1）头部的中下方。