CN115285350A - 可反复出入水的变体跨介质飞行器及操纵方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可反复出入水的变体跨介质飞行器及操纵方法，飞行器包括机身，机身两侧分别设置有可倾转机翼，机身尾部设置有倒V尾和水下螺旋桨，可倾转机翼包括通过联轴器连接的机翼固定段和机翼倾转段，机翼固定段与机身固定连接，机翼倾转段前缘通过动力***连接有空中旋翼；机身中部设置有机翼变形驱动装置和可调水箱，机翼变形驱动装置与机翼倾转段连接控制机翼倾转段绕联轴器旋转。操纵方法由变形驱动装置、机翼舵面、V尾舵面、电机转速和可调水箱等机构，综合实现不同介质中的操纵。本发明能够满足在水中、空中两种介质环境下的正常使用，还可以根据需要在飞行器上搭载航拍、武器等设备，从而满足大部分的使用需求。

Description

可反复出入水的变体跨介质飞行器及操纵方法

技术领域

本发明涉及跨介质航行器技术领域，具体是一种可反复出入水的变体跨介质飞行器及操纵方法。

背景技术

跨介质飞行器因兼具空中飞行器飞行速度快和水下潜航器隐蔽性能好等优势，具备有广泛的民用和军事用途。在军事领域，搭载相应功能载荷后，可执行多域态势感知、分布式作战、跨域机动作战任务，提高空中和水中的隐蔽突防、多域打击、协同作战等多任务能力，从而大幅提高装备的综合作战能力。在民用领域，跨介质飞行器可以进行海上搜索和救援任务，完成如洪灾、海难、台风、海啸等自然灾害条件下的搜索和通信中继等任务。还可以进行海洋资源勘探、海洋平台和结构物的监测、全范围集成化的海图绘制、海洋水质监测、生物观测、水文气象测量等，完成多域信息获取、跨域任务执行等任务。

目前跨介质飞行器领域中，潜射型跨介质飞行器技术相对最为成熟，但其水下航行、发射、回收等仍需借助载体。真正具备空中、水面、水下自主航行能力和多次出入水能力的潜航型跨介质飞行器，如美国的仿飞鱼机器人样机、多模式水空两栖仿生样机、机器蜂和英国的仿鲣鸟两栖无人飞行器等，仍处于***研制与演示阶段，仍存在飞行效率不高、出入水难度大等问题。

跨介质飞行器虽然具有许多优点，但其需要在两种密度相差巨大（水和空气的密度相差大约800倍）的介质中飞行，其面临的问题，比在单一介质中运动的飞行器或航行器多，主要制约技术因素有结构兼容性设计技术、跨介质推进技术、出入水控制技术等，限制了跨介质飞行器的发展。工作环境为两种密度相差巨大的介质，其物理特性差异较大，飞行器和潜航器的外形结构、动力推进方式均有显著差异。出入水阶段作为实现介质跨越的核心环节，其影响因素十分复杂，不仅会受到航行器结构外形、初始运动状态（包括初速度和姿态等）、附加质量变化以及空泡效应等因素的影响，还可能受到近水面风浪的干扰；在溅落入水的瞬间，由于气/水密度的巨大差异，航行器将承受巨大的冲击力；在出水阶段，还会受到自由液面效应以及水冢现象的影响，这使得出入水的难度较大。

发明内容

本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种可反复出入水的变体跨介质飞行器及操纵方法，可广泛推广，能够满足在水中、空中两种介质环境下的正常使用，还可以根据需要在飞行器上搭载航拍、武器等设备，从而满足大部分的使用需求。

本发明提供了一种可反复出入水的变体跨介质飞行器，包括机身、可倾转机翼、空中旋翼、水下螺旋桨、可调水箱、机翼变形驱动装置和倒V尾，机身两侧分别设置有可倾转机翼，机身尾部设置有倒V尾和水下螺旋桨，所述可倾转机翼包括通过联轴器连接的机翼固定段和机翼倾转段，机翼固定段与机身固定连接，机翼固定段和机翼倾转段后缘均设置有副翼舵面，机翼倾转段前缘通过动力***连接有空中旋翼；机身中部设置有机翼变形驱动装置和可调水箱，机翼变形驱动装置与机翼倾转段连接控制机翼倾转段绕联轴器旋转。

进一步改进，所述机翼变形驱动装置包括连接杆、步进电机、连轴器、丝杠、直线导轨、滑块，其中步进电机依次通过连轴器和丝杠与滑块连接并控制滑块在直线导轨上滑动，滑块两侧分别设置有连接杆，两根连接杆分别通过球轴承连接有支杆，两根支杆分别与机翼左右两边的机翼倾转段连接。

进一步改进，所述倒V尾上设置有倒V尾副翼舵面。

进一步改进，所述机翼倾转段绕联轴器旋转的范围为0°-109°，当倾转角为0°时，为固定翼模式，当倾转角为109°时，为直升机模式。

基于上述的变体跨介质飞行器，本发明还提供了一种变体跨介质飞行器的操纵方法，变体跨介质飞行器的任务剖面划分为垂直起飞、空中巡航、入水过渡、水下收缩巡航、出水过渡、垂直降落六个典型阶段，每个阶段的操纵方法如下：

垂直起飞和垂直降落阶段：跨介质飞行器以四旋翼模式在舰船或陆地上起降，由四个空中旋翼提供升力和操纵力矩，此时机翼倾转段倾转角为109°，四个空中旋翼的轴线方向垂直于水平面，水下螺旋桨停转；通过改变4个空中旋翼的转速，来实现跨介质飞行器上下运动；通过改变前后旋翼的转速差动量，来实现跨介质飞行器前后运动；通过改变左右旋翼的转速差动量，来实现跨介质飞行器左右运动；通过改变对角旋翼的转速差动量，来实现跨介质飞行器偏航运动。

空中巡航阶段：跨介质飞行器以四旋翼模式前飞，机翼变形驱动装置往前推连接杆，机翼倾转段逐渐展开，过渡到固定翼模式，此时机翼倾转段倾转角为0°，四个旋翼的轴线方向平行于水平面；其中固定翼巡航阶段的跨介质飞行器的操纵方法，由机翼倾转段舵面提供滚转操纵；由倒V尾提供偏航和俯仰操纵；由四个旋翼的转速提供速度和高度操纵；通过分配系数混合操纵四旋翼模式与固定翼模式的操纵量。

入水过渡阶段，跨介质飞行器在空中由空中巡航阶段过渡到四旋翼飞行阶段，以四旋翼模式缓慢入水，入水后，空中旋翼停转，进入水下收缩巡航阶段，水下螺旋桨开始工作，机身内水箱加水，加速下沉；入水过程，通过改变空中旋翼的转速，来实现跨介质飞行器入水；当飞行器入水后，空中旋翼停转，由水箱入水提供水面深度控制；入水后，水下螺旋桨开始工作，由水下螺旋桨转速提供速度控制。

水下收缩巡航阶段：跨介质飞行器为固定翼模式，此时机翼倾转段倾转角为0°，空中旋翼的轴线方向平行于水平面；通过机翼固定段舵面提供飞行器水下滚转运动操纵；由倒V尾舵面提供偏航和俯仰运动操纵；由空中旋翼的转速提供速度操纵；由水箱出入水提供水面深度控制。

出水过渡阶段，跨介质飞行器在水中处于水下收缩巡航阶段，机身内部水箱往外排水，飞行器上浮，进入四旋翼模式出水过渡阶段，当空中旋翼浮出水面一定高度时，空中旋翼开始工作，由空中旋翼和水下螺旋桨同时提供动力，以一定角度将所述跨介质飞行器从水中飞出，此时由倒V尾舵面、副翼舵面、空中旋翼共同维持飞行器姿态，进入四旋翼模式转固定翼模式过渡阶段，最终转为空中巡航阶段。

本发明有益效果在于：

1、采用空中旋翼、水下螺旋桨的两套推进***方案，提出倾转机翼变体技术，使其外形结构兼顾不同介质环境下的飞（航）行性能，减小迎流面积，降低飞行器在水下的阻力，合理布局，充分发挥了不同推进方式和外形在不同介质环境下的作用，使其适应两种密度相差巨大（水和空气的密度相差大约800倍）的介质，提高跨介质飞行器在不同介质中的效率；

2、提出四旋翼模式出入水的方案，充分利用四旋翼重心范围大、稳定性好、可悬停的特点，进而降低了入水时的冲击载荷，减少了结构强度要求，提高了出水时姿态稳定性，具有一定的抗风浪能力，综合降低了跨介质飞行器出入水的难度，可以实现水、空两种介质的往返自由切换；

3、倾转机翼后是四旋翼模式，展开机翼后是固定翼模式，继承了四旋翼模式可垂直起降和悬停、机动性好的优势和固定翼模式高速巡航、飞行效率高的优势。

4、可广泛推广，能够满足在水中、空中两种介质环境下的正常使用，还可以根据需要在飞行器上搭载航拍、武器等设备，从而满足大部分的使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明具体实施方式中跨介质飞行器四旋翼模式结构示意图。

图2为本发明具体实施方式中跨介质飞行器四旋翼模式向固定翼模式过渡时结构示意图。

图3为本发明具体实施方式中跨介质飞行器固定翼模式时结构示意图。

图4为本发明具体实施方式中跨介质飞行器机翼变形驱动装置细节示意图。

图5为本发明具体实施方式中跨介质飞行器入水原理图。

图6为本发明具体实施方式中跨介质飞行器出水原理图。

1.第一空中旋翼、2.第二空中旋翼、3.第三空中旋翼、4.第四空中旋翼、5.机身、6.水下螺旋桨、7. 动力***、8. 可调水箱、9. 可倾转机翼、10. 倒V尾、11. 机翼变形驱动装置、12. 机翼固定段、13. 机翼倾转段、14. 联轴器、15.机翼固定段副翼舵面、16.机翼倾转段副翼舵面、17.倒V尾副翼舵面、18. 连接杆、19. 步进电机、20. 连轴器、21. 丝杠、22.直线导轨、23. 滑块、24. 球轴承、25.空中巡航阶段、26. 固定翼模式转四旋翼模式过渡阶段、27.四旋翼模式入水过渡阶段、28.四旋翼模式水下收缩巡航阶段、29.四旋翼模式水下收缩巡航阶段、30.四旋翼模式出水过渡阶段、31.四旋翼模式转固定翼模式过渡阶段、32.空中巡航阶段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种可反复出入水的变体跨介质飞行器，采用倾转机翼变体技术，使其外形结构兼顾不同介质环境下的飞（航）行性能，提高飞（航）行时的效率和速度。空中巡航采用固定翼布局；为了降低出入时的难度，出入水过渡采用四旋翼布局，具备垂直起降能力；在水下，减小迎流面积，降低潜航时的阻力，机翼折叠。采用空中旋翼、水下螺旋桨的两套推进***方案，能综合提高全任务剖面的推进效率。充分发挥不同推进方式和外形在不同介质环境下的作用，使其适应两种密度相差巨大（水和空气的密度相差大约800倍）的介质，提高跨介质飞行器在不同介质中的效率。

如附图1-4所示，可反复出入水的变体跨介质飞行器，包括机身5，机身5两侧分别设置有可倾转机翼9，机身尾部设置有倒V尾10和水下螺旋桨6，所述可倾转机翼9包括通过联轴器14连接的机翼固定段12和机翼倾转段13，机翼固定段12与机身5固定连接，机翼固定段后缘设置有机翼固定段副翼舵面15，机翼倾转段后缘设置有机翼倾转段副翼舵面16，倒V尾10后缘设置有倒V尾副翼舵面17。机翼倾转段前缘通过动力***7连接有空中旋翼；机身中部设置有机翼变形驱动装置和可调水箱，机翼变形驱动装置与机翼倾转段连接控制机翼倾转段绕联轴器旋转。

所述机翼倾转段绕联轴器旋转的范围为0°-109°，当倾转角为0°时，为固定翼模式，当倾转角为109°时，为直升机模式。

所述空中旋翼固定于所述可倾转机翼9的机翼倾转段13的前缘部分，每侧安装2个旋翼，由电机驱动，电调控制，主要作用是为所述跨介质飞行器在空中飞行时提供动力。跨介质飞行器采用所述空中旋翼，水下螺旋桨6的两套推进推进***方案，提高所述跨介质飞行器在不同介质中的效率。空中旋翼包括第一空中旋翼1、第二空中旋翼2、第三空中旋翼3、第四空中旋翼4，其中第一空中旋翼1和第三空中旋翼3旋向相同，均为顺时针，第二空中旋翼2和第三空中旋翼3旋向相同，均为逆时针。

所述水下螺旋桨6位于所述跨介质飞行器尾部，由电机驱动，电调控制，主要作用是为所述跨介质飞行器在水下航行时提供动力。

所述可调水箱8，安装于所述跨介质飞行器机身5的中部，机翼变形驱动装置11的下方，作用是通过调整内的水气比例，改变航行器在水中的重力大小，正常在水下航行时，水下浮力和重力相等。

利用电机和电源作为动力源，通过电机驱动动力装置进行工作，为飞行器提供动力。跨介质飞行器的飞控、电气、电子、电池、任务等设备可安放在机身中进行密封防水。

参考图4，所述机翼变形驱动装置11，主要由步进电机19、连轴器20、丝杠21、直线导轨22、滑块23、球轴承24组成，其中步进电机依次通过连轴器和丝杠与滑块连接并控制滑块在直线导轨上滑动，滑块两侧分别设置有连接杆，两根连接杆分别通过球轴承连接有支杆，两根支杆分别与机翼左右两边的机翼倾转段连接。

基于上述跨介质飞行器，其任务剖面可划分为垂直起飞、空中巡航、入水过渡、水下收缩巡航、出水过渡、垂直降落六个典型阶段。本实施例为一种可实现上述典型阶段且可反复出入水的变体跨介质飞行器的操纵方法；

垂直起飞和降落阶段（图1）：跨介质飞行器以四旋翼模式在舰船或陆地上起降，由四个旋翼1-4提供升力和操纵力矩，并可在空中悬停，此时机翼倾转段倾转角13为109°，四个旋翼的轴线方向垂直于水平面，水下螺旋桨6停转。通过改变4个旋翼的转速，来实现跨介质飞行器上下运动；通过改变前后旋翼的转速差动量，来实现跨介质飞行器前后运动；通过改变左右旋翼的转速差动量，来实现跨介质飞行器左右运动；通过改变对角旋翼的转速差动量，来实现跨介质飞行器偏航运动。

巡航阶段（图2）：跨介质飞行器以四旋翼模式前飞，机翼变形驱动装置11往前推连接杆18，机翼倾转段13逐渐展开，过渡到固定翼模式，此时机翼倾转段倾转角为0°，四个旋翼的轴线方向平行于水平面。其中固定翼巡航阶段的跨介质飞行器的操纵方法，由机翼倾转段舵面16提供滚转操纵；由倒V尾10提供偏航和俯仰操纵；由四个旋翼的转速提供速度和高度操纵。过渡阶段的操纵方法，通过分配系数混合操纵四旋翼模式与固定翼模式的操纵量。

入水过渡阶段，如图5，跨介质飞行器在空中由空中巡航阶段25（固定翼模式）过渡到四旋翼飞行阶段26，以四旋翼模式缓慢入水27，入水后，空中旋翼1-4停转，进入水下收缩巡航阶段28，水下螺旋桨6开始工作，机身内水箱8加水，加速下沉。入水过程，通过改变旋翼1-4的转速，来实现跨介质飞行器入水；当飞行器入水后，旋翼1-4停转，由水箱8入水提供水面深度控制；入水后，水下螺旋桨6开始工作，由水下螺旋桨转速提供速度控制。

水下收缩巡航阶段：跨介质飞行器为固定翼模式，此时机翼倾转段13倾转角为0°，旋翼1-4的轴线方向平行于水平面。通过机翼固定段舵面15提供飞行器水下滚转运动操纵；由倒V尾舵面17提供偏航和俯仰运动操纵；由旋翼1-4的转速提供速度操纵；由水箱8出入水提供水面深度控制。

出水过渡阶段，如图6：跨介质飞行器在水中处于水下收缩巡航阶段29，机身内部水箱8往外排水，飞行器上浮，进入四旋翼模式出水过渡阶段30，当空中旋翼1-4浮出水面一定高度时，空中旋翼1-4开始工作，由空中旋翼1-4和水下螺旋桨6同时提供动力，以一定角度将所述跨介质飞行器从水中飞出，此时由倒V尾舵面17、副翼舵面16、空中旋翼1-4共同维持飞行器姿态，进入四旋翼模式转固定翼模式过渡阶段31，最终转为空中巡航阶段32。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于设备实施例而言，以上所述仅是本发明的优选实施方式，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，对于本技术领域的普通技术人员来说，可轻易想到的变化或替换，在不脱离本发明原理的前提下，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种可反复出入水的变体跨介质飞行器，包括机身，机身两侧分别设置有可倾转机翼，机身尾部设置有倒V尾和水下螺旋桨，其特征在于：所述可倾转机翼包括通过联轴器连接的机翼固定段和机翼倾转段，机翼固定段与机身固定连接，机翼固定段和机翼倾转段后缘均设置有副翼舵面，机翼倾转段前缘通过动力***连接有空中旋翼；机身中部设置有机翼变形驱动装置和可调水箱，机翼变形驱动装置与机翼倾转段连接控制机翼倾转段绕联轴器旋转。

2.根据权利要求1所述的可反复出入水的变体跨介质飞行器，其特征在于：所述机翼变形驱动装置包括连接杆、步进电机、连轴器、丝杠、直线导轨、滑块，其中步进电机依次通过连轴器和丝杠与滑块连接并控制滑块在直线导轨上滑动，滑块两侧分别设置有连接杆，两根连接杆分别通过球轴承连接有支杆，两根支杆分别与机翼左右两边的机翼倾转段连接。

3.根据权利要求1所述的可反复出入水的变体跨介质飞行器，其特征在于：所述倒V尾上设置有倒V尾副翼舵面。

4.根据权利要求1所述的可反复出入水的变体跨介质飞行器，其特征在于：所述机翼倾转段绕联轴器旋转的范围为0°-109°，当倾转角为0°时，为固定翼模式，当倾转角为109°时，为直升机模式。

5.一种可反复出入水的变体跨介质飞行器的操纵方法，其特征在于：采用权利要求1所述的变体跨介质飞行器，变体跨介质飞行器的任务剖面划分为垂直起飞、空中巡航、入水过渡、水下收缩巡航、出水过渡、垂直降落六个典型阶段，每个阶段的操纵方法如下：

垂直起飞和垂直降落阶段：跨介质飞行器以四旋翼模式在舰船或陆地上起降，由四个旋翼提供升力和操纵力矩，此时机翼倾转段倾转角为109°，四个旋翼的轴线方向垂直于水平面，水下螺旋桨停转；

空中巡航阶段：跨介质飞行器以四旋翼模式前飞，机翼变形驱动装置往前推连接杆，机翼倾转段逐渐展开，过渡到固定翼模式，此时机翼倾转段倾转角为0°，四个旋翼的轴线方向平行于水平面；

入水过渡阶段：跨介质飞行器在空中由空中巡航阶段过渡到四旋翼飞行阶段，以四旋翼模式缓慢入水，入水后，空中旋翼停转，进入水下收缩巡航阶段，水下螺旋桨开始工作，机身内水箱加水，加速下沉；

水下收缩巡航阶段：跨介质飞行器为固定翼模式，此时机翼倾转段倾转角为0°，空中旋翼的轴线方向平行于水平面；

出水过渡阶段，跨介质飞行器在水中处于水下收缩巡航阶段，机身内部水箱往外排水，飞行器上浮，进入四旋翼模式出水过渡阶段，当空中旋翼浮出水面一定高度时，空中旋翼开始工作，由空中旋翼和水下螺旋桨同时提供动力，以一定角度将所述跨介质飞行器从水中飞出，此时由倒V尾舵面、副翼舵面、空中旋翼共同维持飞行器姿态，进入四旋翼模式转固定翼模式过渡阶段，最终转为空中巡航阶段。

6.根据权利要求5所述的可反复出入水的变体跨介质飞行器的操纵方法，其特征在于：所述垂直起飞和垂直降落阶段中，通过改变4个空中旋翼的转速，来实现跨介质飞行器上下运动；通过改变前后旋翼的转速差动量，来实现跨介质飞行器前后运动；通过改变左右旋翼的转速差动量，来实现跨介质飞行器左右运动；通过改变对角旋翼的转速差动量，来实现跨介质飞行器偏航运动。

7.根据权利要求5所述的可反复出入水的变体跨介质飞行器的操纵方法，其特征在于：所述空中巡航阶段中，由机翼倾转段舵面提供滚转操纵；由倒V尾提供偏航和俯仰操纵；由四个旋翼的转速提供速度和高度操纵；通过分配系数混合操纵四旋翼模式与固定翼模式的操纵量。

8.根据权利要求5所述的可反复出入水的变体跨介质飞行器的操纵方法，其特征在于：所述入水过渡阶段中，通过改变空中旋翼的转速，来实现跨介质飞行器入水；当飞行器入水后，空中旋翼停转，由水箱入水提供水面深度控制；入水后，水下螺旋桨开始工作，由水下螺旋桨转速提供速度控制。

9.根据权利要求5所述的可反复出入水的变体跨介质飞行器的操纵方法，其特征在于：所述水下收缩巡航阶段中，通过机翼固定段舵面提供飞行器水下滚转运动操纵；由倒V尾舵面提供偏航和俯仰运动操纵；由空中旋翼的转速提供速度操纵；由水箱出入水提供水面深度控制。

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