上海交通大学：《力学仿生——启示与探索》课程教学资源（专利资料）飞行仿生（2015）一种仿旗鱼可变构型跨介质飞行器.pdf_大学文库

CN104589939A 说明书 1/3页一种仿旗鱼可变构型跨介质飞行器技术领域 [0001]本发明涉及飞行器领域，具体涉及一种仿生变形跨介质飞行器。背景技术 [0002]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。 [0003]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 1。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 [0004]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，而提供一种仿旗鱼可变构型跨介质飞行器方案。 [0005]本发明包括包括机身、一对可变角度水翼、一对自适应可倾转螺旋桨、一对鳞形整流罩、一对球形多自由度联结转向器、X形尾翼和水下推进螺旋桨，机身模仿旗鱼的流线型外形，机身头部设有头部尖锥来分开水流，一对可变角度水翼分别安装在机身前部两侧，通过调节一对可变角度水翼的正负攻角来控制飞行器在水中下潜或上浮，一对鳞形整流罩分别安装在机身中部两侧，一对自适应可倾转螺旋桨分别通过一对球形多自由度联结转向器安装在一对鳞形整流罩上，X形尾翼安装在机身中后段，水下推进螺旋桨安装在机身尾部。 [0006]本发明的优点：本发明是将飞行器与潜航器原理结合起来，同时引入仿生学设计理念提出的全新概念的跨介质飞行器。本发明提出的仿旗鱼倾转旋翼跨介质飞行器在气水动布局、可变构型轻质耐压结构、动力推进系统、多模式控制和水密封设计等技术方面取得了较大突破，能较好地实现水空过程的模式转换和运行，机动性好、任务遂行能力可观。 [0007]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，通过模仿海洋生物旗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，采用可旋转式水翼来控制飞行器上浮或下潜，较采用常规潜水器进 3

CN104589939A 说明书 2/3页排水系统设计的结构重量更轻。 [0008]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。 [0009]3、在跨介质使用动力能源和推进系统适配方案方面，采用油电混合式动力系统，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。 [0010]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。另外，由于本发明方案在空中和水下的重心位置配置不同，因此需要在航行环境发生变化时改变其重心位置，小型跨介质飞行器可设计一套智能机构通过调整蓄电池的位置来调整重心，大中型跨介质飞行器可采用多燃料箱设计，通过改变不同燃料箱的燃料分配来实现重心位置重新配置。 [0011]附图说明图1是本发明结构示意图。 [0012] 图2是本发明在水下变形状态的结构示意图。具体实施方式 [0013]如图1、2所示，本发明包括机身2、一对可变角度水翼3、一对自适应可倾转螺旋桨 4、一对鳞形整流罩5、一对球形多自由度联结转向器6、X形尾翼7和水下推进螺旋桨8，机身2模仿旗鱼的流线型外形，机身2头部设有头部尖锥1来分开水流，一对可变角度水翼3 分别安装在机身2前部两侧，通过调节一对可变角度水翼3的正负攻角来控制飞行器在水中下潜或上浮，一对鳞形整流罩5分别安装在机身2中部两侧，一对自适应可倾转螺旋桨4 分别通过一对球形多自由度联结转向器6安装在一对鳞形整流罩5上，X形尾翼7安装在机身2中后段，水下推进螺旋桨8安装在机身2尾部。 [0014]工作原理：旗鱼是海洋生物中游泳速度最快的，平均时速90km/h,短距离时速可达120km/h。该方案的机身模仿旗鱼的流线型外形，可大大降低空中飞行尤其是水下潜行时的阻力，其头部的尖椎1可将前方来流很快向两旁分开：机身前部约旗鱼胸鳍的位置布置了一对可变角度水翼3，空中飞行时可作为鸭翼使用，水中潜行时可以通过调节水翼3的正负攻角来控制飞行器上浮或下潜，还可以通过水翼3的差动运动起到增加横航向稳定性的作用：机身中部布置了一对自适应可倾转涵道螺旋桨4，用于提供空中飞行时需要的升 4

CN104589939A 说明书 3/3页力和推力，以及提供飞行器出入水时垂直方向的足够的升力，使其可以像直升机一样不需要在水面上滑行就可以垂直起降，转换到水下模式时则需要通过球形多自由度联结转向器 6将可倾转涵道螺旋桨4向后折叠起来，以减小水下潜行时的阻力：布置在机体中部的鳞形整流罩5，不仅可用来保护发动机，收放主起落架，还可以起到增强飞行器水面漂浮状态平衡能力的作用：为了适应在空中和水下两种不同介质中运行的需要，采用了油电混合式动力系统设计，空中使用内置于机体中后方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8实现推进：机身尾部采用了X型尾翼7设计，该类型尾翼已普遍应用于现代潜艇上，具有较好的空间立体方位转换能力，还可同时起到减阻和增稳的作用，在飞行器上也同样适用。 [0015]飞行器机体结构大范围使用碳纤维增强复合材料，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，主要包括一对可变角度水翼3和一对自适应可倾转螺旋桨4。一对可变角度水翼3通过一对球形多自由度联结转向器6的转动来实现正负攻角的转变，一对自适应可倾转螺旋桨4 先旋转到合适角度再向后折叠。在控制策略方面，结合本发明方案，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系统，空中飞行通过水下推进螺旋桨8推力、一对可变角度水翼3和X型尾翼7实现飞行器的机动和控制，水下则通过调整一对可变角度水翼3正负攻角、尾翼舵面和水下推进螺旋桨8来进行姿态调整和操纵。 5