CN103640445A - 前置斜侧双体水面三体两栖无人艇 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种前置斜侧双体水面三体两栖无人艇，中间艇体的艇艏左右两侧各有第二片体和侧体，侧体和中间艇体之间以水平的第二片体固定连接，每个第二片体上布置前后两个螺旋桨，中间艇体的艉部正中间通过垂直的第一片体连接入水艇体，每个螺旋桨连接一个无刷电机，无刷电机连接电子调速器，电子调速器通过线缆连接电池组和控制系统；前置的两个螺旋桨均固定在片体上，后置的两个螺旋桨在艇宽方向的外端均通过轴承连接于片体、内端则连接第一根传动轴的两端，一对水平舵连接第二根传动轴的两端，第一、第二根传动轴中间均连接传动系统，舵效高，操纵效果好，有利于保证航行和作业时的稳定性。

Description

前置斜侧双体水面三体两栖无人艇

技术领域

本发明涉及一种船艇，特指一种用于水面、水下及低空侦察巡逻和监测的水面三体两栖无人艇型。

背景技术

典型的水面无人艇没有艇员，依靠遥控或自主方式在水面航行，艇上不需要配备指挥和操纵人员，艇表面涂有多种隐身材料，加之体积小巧，可借助海浪、岛礁等近岸复杂环境的掩护，可在高危险水域长时间活动，无人自主控制，能够完成ISR、兵力保护、精确打击、反潜等任务。基本上都是采用模块化设计，根据需求按模块化方式更替任务模块，可配备不同的装备，通过遥控、制定程序和无人智能等方式完成指定的任务。目前的水面无人艇基本都是采用滑行艇型，滑行艇的排水量及其尺度都很小，在海面上航行受到海浪的作用，其航行性能差，工作效率低下。特别是，很难在高海况条件下正常工作。

水空两栖艇中，只有地效翼船和气垫船两种类型，地效翼船属于高速大型船只，该船型不适合用来监测作业的小型无人艇，且在低速时候无法脱离水面，而高航速下其航行稳定性差。气垫船虽然在高速低速下都可以脱离水面，但是其距离水面非常近，基本限制在其围裙高度范围内，在较大的波浪情况下气垫会漏气而失效，且气垫船由于其船底要用来封闭气垫，不方便安装监测装备。有个别水上直升机虽然可以实现水面垂直起降，但其结构只是在直升机的基础上将起落架上安装浮体，仅供起落时使用，且机身重心高，耐波性能差，水面航行性能差，若以水上直升机作为以监测和巡逻为主要任务的小型无人艇，其造价和维护费用也很高。

发明内容

本发明的目的是提供一种克服目前水面无人艇高速航行时运动稳定可控性差以及海浪中工作效率低的缺陷，提出一种前置斜侧双体水面三体两栖无人艇，有效用于高海况条件作业下的水面、水下及低空监测。

本发明通过以下技术方案予以实现：包括中间艇体，中间艇体的艇艏左右两侧各有第二片体和侧体，侧体和中间艇体之间以水平的第二片体固定连接，每个第二片体上布置前后两个螺旋桨，四个螺旋桨相对于中间艇体左右对称，中间艇体的艉部正中间通过垂直的第一片体连接入水艇体，第一片体相对于中间艇体左右对称，第一片体的正后部连接一个垂直舵，第二片体后部设有相对于中间艇体左右对称的一对水平舵；中间艇体中部偏前的艇体顶面布置一个顶部感知平台，中间艇体前部下底面处布置一个倒挂式感知平台；中部艇体内部设有电池组、控制系统、传动系统及其他仪器设备；每个螺旋桨连接一个无刷电机，无刷电机连接电子调速器，电子调速器通过线缆连接电池组和控制系统；前置的两个螺旋桨均固定在片体上，后置的两个螺旋桨在艇宽方向的外端均通过轴承连接于片体、内端则连接第一根传动轴的两端，一对水平舵连接第二根传动轴的两端，第一、第二根传动轴中间均连接传动系统。

本发明采用上述技术方案后具有以下优点：本发明兼顾艇体水动力学、空气动力学、轮机工程、控制系统和人工智能等综合优化设计，能有效地克服目前水面无人艇海浪航行快速性、操纵型和耐波性能差及姿态难以控制的缺点和海浪中工作效率低的弱点，舵效高，操纵效果好，有利于保证航行和作业时的稳定性，其综合性能甚优。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明的主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是图1的左视图；

图4是图1中中间艇体1的内部组成及外部连接图；

图5是图1中螺旋桨的连接结构图；

图6是图3中侧体的A-A的三种剖面图；

图7是图2中本发明的控制示意图；

图8是图3所示本发明在航行时的升力示意图；

图中：1.中部艇体，2.侧体，3.入水艇体，4.片体，5.垂直舵，6. 螺旋桨，7.片体，8.顶部感应平台，9.水平舵，10.倒挂式感应平台，11.无刷电机，12.前置螺旋桨的支撑框架，13.后置螺旋桨的可旋转支撑框架，14.传动轴，15.电子调速器。

具体实施方式

参见如图1、图2、图3所示，本发明中间是中间艇体1，中间艇体1的艇艏左右两侧各有侧体2，侧体2和中间艇体1之间以水平的片体7固定连接。片体7左右对称并近似水平布置于中间艇体1的两侧，每个片体7上布置两个螺旋桨6，每个片体7上的两个螺旋桨6一前一后地布置，四个螺旋桨6相对于中间艇体1左右对称。中间艇体1的艉部正中间带有入水艇体3，入水艇体3与中间艇体1之间通过垂直的片体4连接，垂直的片体4相对于中间艇体1左右对称。片体4的正后部连接一个起平衡作用的垂直舵5。片体7后部安装有一对水平投影轮廓为梯形或直角梯形的水平舵9，一对水平舵9相对于中间艇体1左右对称，两个水平舵9相当于片体7的襟翼。

为了使本发明具有良好的工作条件，在中间艇体1中部偏前的艇体顶面布置一个顶部感知平台8，在中间艇体1前部下底面处布置一个倒挂式感知平台10，在水面航行时可以仅使用顶部感知平台8，而在飞行状态时可以以下部倒挂式感知平台10为主，顶部感知平台8起辅助作用。

两侧体2沿中间艇体1宽度方向的横向向外下方延伸，如图3，两侧体2的外张角度为25°--75°，外张角度是侧体2内表面与中间艇体1中纵剖面的夹角。对于艇高长比大、或者设计航行海况较低的情况该外张角度取上限，对于艇高长比小、或者设计航行海况高的艇，此外张角度取下限值。

中间艇体1的上部主体采用形心偏前的细长流线型回转体，或是垂直剖面为椭圆的流线型体（椭圆的长轴铅直）、或是剖面为近似椭圆（椭圆长轴铅垂）的流线型体。艉部入水艇体3也采用形心偏前的流线型回转体、或是水平剖面为椭圆（长轴水平）的流线型体、或是剖面为近似椭圆（长轴水平）的流线型体，既具有良好的低阻特性，工艺性也好。

考虑到航行与飞行对于艇体的左右对称设计要求，两个侧体2采用完全相同的高升阻比、变弦长的细长流线型短机翼，左右对称布置于中间艇体1的偏前部两侧，采用细长三体艇型相比传统单体艇型在相同的排水量的情况下其横向惯性矩大大增加，同时发生摇荡时候其复原力矩也大大增加，因此其耐波性非常好。侧体2最大长度与最大横向尺度之比是9～22，长高比为4～9，艇体水面航速越高，侧体2最大长度与最大横向尺度之比越大，长高比越小，艇体水面航速越低、侧体2最大长度与最大横向尺度之比越小，长高比越大。

中间艇体1、侧体2、入水艇体3、片体7、螺旋桨6均由碳纤维复合材料或铝合金等轻质材料的骨架与外板制成的板架构成，板架的拼接合拢处由碳纤维/环氧树脂糊制成气密或水密的全封闭结构。

如图4，中部艇体1内部主要安装电池组、控制系统、传动系统以及其他仪器设备，其余所有内部多余空间全部采用小重度浮力材料填充，以提高艇体破损时的抗沉性。

如图2和图5，每个螺旋桨6连接一个无刷电机11，无刷电机11的输出轴，无刷电机11的输出轴固定连接螺旋桨6的中心。螺旋桨6与片体7之间采用支持框架连接，前置的螺旋桨6与片体7之间采用前置螺旋桨支撑框架12连接，后置的螺旋桨6与片体7之间采用后置螺旋桨的可旋转支撑框架13连接。

螺旋桨6连同无刷电机11的重心要在片体7的轴心位置。靠近艇艏的螺旋桨6的前置螺旋桨支撑框架12固定在片体7上面，而靠近艇艉的螺旋桨6的后置螺旋桨的可旋转支撑框架13则在艇宽方向的外端通过轴承连接于片体7、内端与第一根传动轴14连接，第一根传动轴14的中间与中部艇体1内的传动系统连接。第二根传动轴14的中间连接中部艇体1内的传动系统，第二根传动轴14的艇宽方向两端分别连接一对水平舵9，第二根传动轴14的中间与中部艇体1内的传动系统连接。在靠近艇艉的后两个螺旋桨6转动时，水平舵9朝往下的方向转动。

如图6，侧体2可以采用三种不同的翼型，分别为最大厚度位置略前移的改良弓型（见图7（a））、最大厚度位置略微后移的改良机翼型（见图7（b））、最大厚度正中的普通弓型（见图7（c））。侧体2可的弦长从上至下逐渐加长、厚度比逐渐减小，在接近底部时弦长缓慢减小，侧体2采用变弦长的结构，可以使侧体2的主要排水体积靠下，有效缓解艇体被升力托起后由于排水体积减小而引起的稳性下降。一方面可以为艇体在水面航行提供浮性、稳性等船艇静力学性能支撑，另一方面，也可以改善其水面航行的快速性和适航性等动力学性能。最大厚度h是弦长L的6%。

如图7，无刷电机11先连接电子调速器15，再通过线缆连接到中部艇体1内的电池组和控制系统，通过控制系统发出指令给电子调速器15来控制无刷电机11的转速，达到螺旋桨6产生不同升力来控制无人艇的姿态和运动的目的。一般地，前置的两个螺旋桨6和后置的两螺旋桨6分别完全满足几何上的左右对称，转速相反，并且选定的主机型号、功率和转速也分别相同。四个螺旋桨6的直径、叶数、桨型和转速等依据飞行时的巡航与最大速度间的某个中间速度所需升力而设计确定。为保证艇体的基本飞行速度，通过闭环控制装置，两个靠近艇艉的螺旋桨6进行自动控制，使其可以绕横向水平轴在0°-26°的角度（见图5中）（螺旋桨6轴线与艇体舯横剖面的夹角，从螺旋桨6轴线转向艇体舯横剖面逆时针为正）内转动，根据速度要求，航速越大转角越大，反之越小。

如图7和图8，通过中部艇体1内的电池组提供动力，感应平台８、10接收到的无人艇运动实时航行状态信息发送给控制系统，控制系统通过闭环控制系统发送调整航行状态的指令给各个电子调速15，电子调速器15将控制指令转为电压电流信号发给无刷电机11，实现转速控制；控制系统还将发送控制指令给传动系统带动水平舵9转动调整合适的舵角来保证航行的稳定。当感应平台8、10检测到大的海浪接近无人艇时，发出信号给控制系统，然后控制系统控制四个螺旋桨6调制转轴垂直状态高速旋转，产生巨大升力将无人艇抬升至空中避开波浪。螺旋桨6在无刷电机11的带动下高速旋转可以产生升力，实现无人艇的垂直起降，可以在高海况下实现紧急避浪，而且四个螺旋桨6的布置方式使得无人艇在飞行状态时候比水上直升机具有更好的抗风性能和操纵性能，还能够以飞行状态快速转移作业区域。另外，左右两侧空气螺旋桨6不同步工作时候还可以实现主动减摇，增加其波浪中作业时候的稳定性。若感应平台8、10检测到需要紧急变向的情况（如在岛礁间不适合飞行状态的情况下），会控制单侧的螺旋桨6旋转，使艇体主动产生横倾，使得左右侧体2入水，产生不对称转矩，又由于侧体2面积比常规垂直舵5要大，且侧体2距离中部艇体1距离大，因此该转矩可以达到很大以使得无人艇能够在高速情况下实现小半径转向，具有很高的操纵性。航行时，翼型侧体2会产生垂直于侧体2表面的升力，有外张角度时候其升力的水平方向的分力会增加其横摇时的约束，增加无人艇的耐波性；其垂直方向的升力则可以托起艇体，减小其入水体积和阻力。

Claims (6)

1.一种前置斜侧双体水面三体两栖无人艇，包括中间艇体（1），其特征是：中间艇体（1）的艇艏左右两侧各有第二片体（7）和侧体（2），侧体（2）和中间艇体（1）之间以水平的第二片体（7）固定连接，每个第二片体（7）上布置前后两个螺旋桨（6），四个螺旋桨（6）相对于中间艇体（1）左右对称，中间艇体（1）的艉部正中间通过垂直的第一片体（4）连接入水艇体（3），第一片体（4）相对于中间艇体（1）左右对称，第一片体（4）的正后部连接一个垂直舵（5），第二片体（7）后部设有相对于中间艇体（1）左右对称的一对水平舵（9）；中间艇体（1）中部偏前的艇体顶面布置一个顶部感知平台（8），中间艇体（1）前部下底面处布置一个倒挂式感知平台（10）；中部艇体（1）内部设有电池组、控制系统、传动系统及其他仪器设备；每个螺旋桨（6）连接一个无刷电机（11），无刷电机（11）连接电子调速器（15），电子调速器（15）通过线缆连接电池组和控制系统；前置的两个螺旋桨（6）均固定在片体（7）上，后置的两个螺旋桨（6）在艇宽方向的外端均通过轴承连接于片体（7）、内端则连接第一根传动轴（14）的两端，一对水平舵（9）连接第二根传动轴（14）的两端，第一、第二根传动轴（14）中间均连接传动系统。

2.根据权利要求1所述的前置斜侧双体水面三体两栖无人艇，其特征是：前置的螺旋桨（6）与片体（7）之间以前置螺旋桨支撑框架（12）连接，后置的螺旋桨（6）与片体（7）之间以后置螺旋桨的可旋转支撑框架（13）连接，后置螺旋桨的可旋转支撑框架（13）在艇宽方向的外端通过轴承连接于片体（7）、内端与第一传动轴（14）连接。

3.根据权利要求1所述的前置斜侧双体水面三体两栖无人艇，其特征是：两侧体（2）的外张角度为25°--75°。

4.根据权利要求1所述的前置斜侧双体水面三体两栖无人艇，其特征是：前置的两个螺旋桨（6）和后置的两螺旋桨（6）转速相反。

5.根据权利要求1所述的前置斜侧双体水面三体两栖无人艇，其特征是：两个侧体（2）是变弦长的流线型翼型，侧体（2）最大长度与最大横向尺度之比是9～22，长高比为4～9。

6.根据权利要求5所述的前置斜侧双体水面三体两栖无人艇，其特征是：侧体（2）为最大厚度位置略前移的改良弓型、最大厚度位置略后移的改良机翼型、最大厚度正中的普通弓型。

Images