CN105366051A - 一种用于海水样本采集的无人地效飞机 - Google Patents

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Abstract

一种用于海水样本采集的无人地效飞机，采用自主导航或远程遥控的方式飞行，包括能产生翼地效应的机体(1)、飞控系统(3)、机载雷达(7)、电子成像设备(2)、卫星导航设备(4)、卫星通讯设备(5)、电源(23)、海水采集装置(8)、推进式动力装置(12)和可收放起落架(11)，所述机体(1)为能产生翼地效应的翼身融合体；海水采集装置(8)可收放地安装在机体(1)的下方，用于海洋表层海水样本的采集；可收放起落架(11)安装在机体(1)的下方；本发明的无人地效飞机对海水污染较少、能够快速实现海水样本采集。

Description

一种用于海水样本采集的无人地效飞机
技术领域
本发明涉及一种用于海水样本采集的无人驾驶地效飞机，特别是要求贴近水面飞行的无人地效飞机。
背景技术
目前已知的海水样本的采集，主要依赖于有人驾驶的舰船。舰船航速慢、效率低、风险高、人力及物资消耗大；船只在航行中的排放物及油污会对当地水质造成污染，影响海水标本的置信度，此外，金属船体会对海水中痕金属指标的测量存在影响。
目前已知的无人地效类飞行器主要用于海洋风浪监测或攻击型武器，无法应用于海水的样本采集，且抗沉性设计考虑不足，坠海后难以继续使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种成本低的用于海水样本采集的无人地效飞机，对海水污染较少、能够快速实现海水样本采集。
本发明进一步提供了一种升阻比较高、速度快、单位航程油耗低、航程远的无人地效飞机，该无人地效飞机可实现自主起降、巡航与越障，巡航过程以贴地飞行为主，具有抗沉性与应急定位功能的设计。
一种用于海水样本采集的无人地效飞机，采用自主导航或远程遥控的方式飞行，包括能产生翼地效应的机体、飞控系统、机载雷达、电子成像设备、卫星导航设备、卫星通讯设备、电源、海水采集装置、推进式动力装置和可收放起落架，所述无人地效飞机能够距水面-米高度飞行；所述机体为能产生翼地效应的翼身融合体；所述机载雷达安装在机体的前方，用于探测前方的障碍物或大浪；电子成像设备、卫星导航设备、卫星通讯设备分别安装在机体的上方，海水采集装置可收放地安装在机体的下方，用于海洋表层海水样本的采集；可收放起落架安装在机体的下方；机体的上后方装有推进式动力装置；
电子成像设备用于对海面进行成像并将海面图像通过卫星通讯设备发送至基站；卫星通讯设备用于实现基站与飞控系统的通信；卫星导航设备用于输出飞机位置信息至飞控系统；
所述飞控系统用于控制起落架的收放，海水采集装置的收放，海水采集装置工作时的力矩配平，根据卫星导航设备接收到的位置信息控制飞机在规定航迹与速度下飞行，根据由卫星通讯设备接收基站发来的指令改变飞行姿态；当机载雷达探测到前方的障碍物时，控制无人地效飞机避开障碍物。
所述机体包括机身、机翼、V形垂尾、平尾和配平平尾，机身纵向剖面为类似Clark-Y翼型的地效翼型，相对厚度为从两侧至对称面在11.5％-17％之间；机翼采用Clark-Y翼型；V形垂尾安装在机身中后部、在展向上对称分布，V形垂尾的翼型为NACA0012；平尾位于V形垂尾上方，平尾采用高置大展长设计；在机身尾部装有配平平尾，在海水采集设备入水工作时，通过该配平平尾的偏转平衡海水对机体产生的俯仰力矩；整个机体下表面近似扁平状，在地效区内机体与地面或水面之间会产生翼地效应。
机翼相对厚度为11-12％，机翼翼根安装角为4°-6°，翼尖安装角为3°-4°，前缘后掠角为28°-30°，后缘后掠角为22°-24°，下反角为12°-13°；V形垂尾安装于机体沿航向的86-88％位置处，展向夹角为95-105°，V形垂尾的前缘后掠角为43°-45°，后缘后掠角为36°-38°；平尾的安装角为3°-5°，前缘后掠角为32°-34°，后缘后掠角为27°-28°。
可收放式起落架为前三点式起落架，以减小无人地效飞机飞行时的气动阻力，前起落架位于机身前下方，前后方向收起，主起落架位于翼身融合处，左右方向收起。
在起落架舱门关闭时，起落架舱门之间以及起落架舱门与机体之间采用交叠齿状橡胶进行密封。
飞控系统包括飞控计算机、陀螺仪、空速管、大气数据计算机和操纵舵机，飞控计算机用于数据的处理与计算，陀螺仪用于测量飞机各分量上的角速度与角加速度，空速管和大气数据计算机用于测量飞机飞行速度与高度，操纵舵机包括油门操纵舵机和舵面操纵舵机，分别用于油门大小的改变以及舵面的操纵。
所述无人低效飞机还包括紧急信号发射器，所述紧急信号发射器用于该无人地效飞机在因故障迫降于水面上并无法复飞之后，不断发送呼救与定位信号。
所述无人地效飞机还包括三个浮筒，分别在机翼的翼梢两端与V形垂尾的下方。
机身的前后部各有一个相互独立的水密舱，机翼的翼根至1/3翼展处以及1/3翼展至2/3翼展设为相互独立的水密舱。
机体水密舱包括机体隔框、机体蒙皮、耐腐蚀密封橡胶和角铝，机体隔框采用整体腹板加筋的形式，在机体蒙皮与隔框之间加垫耐腐蚀密封橡胶，再使用铆钉贯穿连接，机体隔框的一侧采用角铝进行加强，角铝的两端使用密封胶进行密封处理。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
无人地效飞机主要用于在贴近水面飞行时，进行表层海水样本的采集。该无人地效飞机具有以下特点：1)拥有能产生翼地效应的气动外形，主要在贴近水面的地效区飞行，有利于海水的采集；2)采用自主导航或远程遥控的方式飞行，减小了海水样本采集的人力与物资的消耗；3)在地效区内，通过无人飞机的气动布局设计，使得该无人地效飞机升阻比较高、速度快、单位航程油耗低、航程远；4)针对海水采集装置特殊设计了配平平尾，通过配平平尾的偏转平衡海水对机体产生的俯仰力矩；5)通过水密舱和浮筒的设计使得本发明的无人地效飞机具有抗沉能力，并拥有陆地起降与水面紧急迫降的能力；6)通过设置紧急信号发射器，使得具备紧急呼救功能。
附图说明
图1为无人地效飞机总体布局图，图1a为地效飞行器的侧视图，图1b为地效飞行器的俯视图
图2为无人地效飞机飞控系统示意图；
图3为无人地效飞机应急信号发射系统示意图；
图4为无人地效飞机起落架舱门的密封；
图5为机体中的水密舱；
图6为水密舱的结构形式。
具体实施方式
无人地效飞机速度快、航程远、油耗低、成本较低廉、飞行高度低，可应用于完成需要进行水面作业的任务。
如图1所示，本发明的用于海水样本采集的无人地效飞机，包括能产生翼地效应的机体1、飞控系统、机载雷达7、电子成像设备2、卫星导航设备4、卫星通讯设备5、海水采集装置8、主电源23、备用电源24、推进式动力装置12和可收放起落架11，所述无人地效飞机能够距水面1-2米高度飞行，用于海洋表层海水样本的采集；所述机体1为能产生翼地效应的翼身融合体，；所述机载雷达7安装在机体1的前方，电子成像设备2、卫星导航设备4、卫星通讯设备5分别安装在机体1的上方，海水采集装置8可收放地安装在机体1的下方，机体1的下方安装有可收放起落架11。
机体1为能产生翼地效应的翼身融合体，外形设计上综合考虑高空/地效区气动力特性、操稳特性、飞行控制方法等因素；主要包括机身13、机翼14、V形垂尾15、平尾16、浮筒10、配平平尾9等部分，机身纵向剖面为类似Clark-Y翼型的地效翼型，相对厚度为从两侧至对称面在11.5％-17％之间，该设计使得飞机在巡航速度为35-45m/s之间拥有较高的升阻比，机身13安装角为2.0°；机翼14采用Clark-Y翼型，相对厚度11.5％，机翼14翼根安装角为5°，翼尖安装角为2°，前缘后掠角为29°，后缘后掠角为23°，下反角为12.2°，该形式可抑制机翼气流的横向流动，减小翼尖涡，对增加地效气垫复合船的静稳定度具有一定的作用；V形垂尾15安装于机体沿航向的87％位置处，在展向上对称分布，展向夹角为100°，V形垂尾15的翼型为NACA0012，前缘后掠角44°，后缘后掠角37°；平尾16位于V形垂尾上方，安装角4°，前缘后掠角33°，后缘后掠角28°，平尾16采用高置大展长设计，可在地效区减小机翼14翼尖涡对其的影响,增强飞机的静稳定性；在机身尾部装有配平平尾9，在海水采集设备8入水工作时，通过该配平平尾9的偏转平衡海水对机体产生的俯仰力矩；整个机体下表面近似扁平状，在地效区内约1/2翼展的高度以下，机体1与地面或水面之间会产生翼地效应。
在机体尾部装有配平平尾9，在海水采集设备8入水工作时，通过该配平平尾9的偏转平衡海水对机体产生的俯仰力矩；机体1的上方装有推进式动力装置12；所述飞控系统用于控制飞机的飞行状态。
起落架为11前三点式可收放式起落架，以减小无人地效飞机飞行时的气动阻力，前起落架位于机身前下方，前后方向收起，主起落架位于翼身融合处，左右方向收起。
起落架舱门在关闭时与机体之间采用交叠齿状橡胶进行密封。
如图2所示，所述飞控系统控制飞机的飞行姿态以及起落架11的收放、海水采集装置8工作时的力矩配平，控制飞机在规定航迹与速度下飞行或根据由卫星通讯设备接收基站发来的指令改变飞行姿态，飞控系统的核心部分主要由飞控计算机18、陀螺仪19、空速管17、大气数据计算机20、操纵舵机2122等部分组成，飞控计算机18用于数据的处理与计算，陀螺仪19用于测量飞机各分量上的角速度与角加速度，空速管17与大气数据计算机20用于测量飞机飞行速度与高度，操纵舵机包括油门操纵舵机22、舵面操纵舵机21，分别用于油门大小的改变以及舵面的操纵；此外，当机载雷达7探测到前方的障碍物时，飞控系统控制飞行器向上爬升以避开障碍物，从而实现无人地效飞机的自主起降、巡航与越障。
如图3所示，所述无人地效飞机还包括紧急信号发射器6，所述紧急信号发射器6用于该无人地效飞机在因故障迫降于水面上并无法复飞之后，不断发送呼救与定位信号，当机载陀螺仪19监测到飞机有大的速度变化或大气数据计算机20监测到飞行速度急剧降低时，飞机首先尝试复飞，若复飞成功，则立即爬升高度并返航，若复飞失败或基站观测到飞机附近海况不适合复飞，则自动或由基站遥控关闭主电源23并打开备用电源24,启动紧急信号发射器6，并且每30分钟通过卫星通讯设备向基站发送一次位置信息。
所述机载雷达7为合成孔径雷达，用于探测前方的障碍物或大浪。
所述无人地效飞机还包括三个浮筒10，分别在机翼的翼梢两端与V形垂尾的下方，机体部分为无人地效飞机在落水时提供65％的浮力，所述浮筒为无人地效飞机落水时提供35％的浮力。
如图4所示，起落架舱门2526在关闭状态下与机体1之间采用交叠齿状橡胶27密封，起落架左舱门25与右舱门26之间也通过交叠齿状橡胶27密封，密封后的橡胶之间相互压紧咬合，缝隙呈并排的“几”字形，从而使得飞机在正常飞行过程中，不会有溅起的海水进入起落架舱，在飞机落水后，只会有少量的海水渗入起落架舱。
如图5所示，机体的机身部分的前后部各有一个相互独立的水密舱2829，内部安装主要电气设备，如飞控计算机18、陀螺仪19、飞机主电源23、备用电源24、卫星导航设备4、卫星通讯设备5、大气数据计算机20等，机翼的翼根至1/3翼展处以及1/3翼展至2/3翼展设为相互独立的水密舱30313233，水密舱之间相互独立，可以使得在其中一个水密舱破裂时，其他水密舱仍然可以产生足够的浮力，保证飞机的抗沉性与安全性。机体部分为无人地效飞机在落水时提供65％的浮力，并保证主要电气设备的安全。通过水密舱的设计使得整个机体可以提供的总浮力为飞机总重的1.4倍，保证飞机有足够的抗沉性能。
机体水密舱的密封方式如图6所示，包括机体隔框34、机体蒙皮35、耐腐蚀密封橡胶37和角铝38，机体隔框34采用整体腹板加筋的形式，在机体蒙皮38与隔框34之间加垫耐腐蚀密封橡胶39，再使用铆钉36贯穿连接，隔框的一侧采用角铝38进行加强，角铝的两端使用密封胶39、40进行密封处理。该结构简单可靠，便于制造，成本低廉，能形成较好的密封性能。
本发明的无人地效飞机的工作过程如下：
指定海域的海水样本采集
无人地效飞机在陆地起飞后，通过卫星导航设备，沿着事先设定的航迹巡航，到达指定的海水样本采集区域时，卫星通讯设备将当地风速以及电子成像设备的实时数据发送至基站，基站根据海面状况判断是否开始海水的采集，若海面环境适合采集，则发送指令至无人地效飞机，无人地效飞机放下海水采集装置。如图2所示，当海水采集装置放下并触水时，水通过海水采集装置对机体产生一个低头力矩，此时机上陀螺仪检测到该低头力矩引起的飞行状态改变的大小与方向并实时输入至飞控计算机中，飞控计算机通过相应控制律解算得到配平平尾9需要偏转的角度大小，从而控制配平平尾的偏转，此时配平平尾产生一个反向的力矩，从而使飞行器可以继续平稳地飞行。在海水采集完成且海水采集装置离水之后，机体内的陀螺仪检测到水对机体产生的低头力矩的消失，此时飞控计算机再控制配平平尾9恢复正常飞行状态。海水采集完成之后，海水采集装置收入机体内。
无人地效飞机的越障飞行
该发明中的无人地效飞机在海面遇到障碍物或大浪时，可以提前预警并爬升越障，如图2所示，其控制原理如下：当飞行器在贴地飞行过程中，前部雷达探测到前方一定距离内有障碍物或大浪时，发送指定信号至飞控计算机，飞控计算机控制飞行器爬升，越过障碍物，当雷达探测到前方障碍物消除时，则下降高度至设定的巡航高度。
无人地效飞机降落水面后的应急措施
当无人地效飞机因故障降落水面后，飞机尝试在水面滑行复飞，若确认无法复飞之后，除卫星通讯设备、卫星导航设备与紧急信号发射装置外，关闭机上其他所有机载设备。通过卫星通讯设备，飞机间隔性地发送位置信息至基站，并紧急信号发射装置不断发送呼救与定位信号，直到电池电量耗完为止。
该发明中的无人地效飞机在海面意外落水时，由于机体内部水密舱以及浮筒可以产生足够的浮力，因此无人地效飞机可以漂浮于水面。如图3所示，当机载陀螺仪19监测到飞机有大的速度变化或大气数据计算机20监测到飞行速度急剧降低时，飞机尝试在水面滑行复飞，若能够成功复飞则控制无人地效飞机返航，若确认无法复飞，除卫星通讯设备5、卫星导航设备4与紧急信号发射器6外，关闭主电源和机上其他所有机载设备。通过卫星通讯设备5，飞机每隔30分钟发送位置信息至基站，紧急信号发射器6不断发送呼救与定位信号，直到电池电量耗完为止。
与常规海水样本采集的方式相比，本发明设计的无人地效飞机具有以下效益：
本发明中所使用的无人驾驶的飞行器，相对于目前的海水样本采集平台，具有航速快、航程远、效率高、节约大量人力资源与保障物资等优势；
本发明中的飞行器为地效飞行器，利用飞行器贴地飞行所产生的翼地效应，大大提升了飞行器的升阻比，提高飞行器的经济性能；
本发明中的飞行器飞行高度很低，非常有利于海水标本采集装置的使用；
本发明中所使用的飞行器具有落水自动呼救功能，便于救援人员或设备的搜寻，最大限度地减少意外事故造成的损失；
本发明中的飞行器在海水采集过程中不会与海水接触，也不会排放污染物，因此不会对海水样本造成污染。
本发明未详细描述的内容属于本领域的公知常识。

Claims (10)

1.一种用于海水样本采集的无人地效飞机，采用自主导航或远程遥控的方式飞行，包括能产生翼地效应的机体(1)、飞控系统、机载雷达(7)、电子成像设备(2)、卫星导航设备(4)、卫星通讯设备(5)、电源(23)、海水采集装置(8)、推进式动力装置(12)和可收放起落架(11)，所述无人地效飞机能够距水面1-2米高度飞行；所述机体(1)为能产生翼地效应的翼身融合体；所述机载雷达(7)安装在机体(1)的前方，用于探测前方的障碍物或大浪；电子成像设备(2)、卫星导航设备(4)、卫星通讯设备(5)分别安装在机体(1)的上方，海水采集装置(8)可收放地安装在机体(1)的下方，用于海洋表层海水样本的采集；可收放起落架(11)安装在机体(1)的下方；机体(1)的上后方装有推进式动力装置(12)；
电子成像设备用于对海面进行成像并将海面图像通过卫星通讯设备(5)发送至基站；卫星通讯设备用于实现基站与飞控系统的通信；卫星导航设备用于输出飞机位置信息至飞控系统；
所述飞控系统用于控制起落架(11)的收放，海水采集装置(8)的收放，海水采集装置(8)工作时的力矩配平，根据卫星导航设备接收到的位置信息控制飞机在规定航迹与速度下飞行，根据由卫星通讯设备接收基站发来的指令改变飞行姿态；当机载雷达(7)探测到前方的障碍物时，控制无人地效飞机避开障碍物。
2.根据权利要求1所述的一种用于海水样本采集的无人地效飞机，其特征在于：所述机体(1)包括机身(13)、机翼(14)、V形垂尾(15)、平尾(16)和配平平尾(9)，机身纵向剖面为类似Clark-Y翼型的地效翼型，相对厚度为从两侧至对称面在11.5％-17％之间；机翼(14)采用Clark-Y翼型；V形垂尾(15)安装在机身中后部、在展向上对称分布，V形垂尾(15)的翼型为NACA0012；平尾(16)位于V形垂尾上方，平尾(16)采用高置大展长设计；在机身尾部装有配平平尾(9)，在海水采集设备(8)入水工作时，通过该配平平尾(9)的偏转平衡海水对机体产生的俯仰力矩；整个机体下表面近似扁平状，在地效区内机体(1)与地面或水面之间会产生翼地效应。
3.根据权利要求1所述的一种用于海水样本采集的无人地效飞机，其特征在于：机翼(14)相对厚度为11-12％，机翼(14)翼根安装角为4°-6°，翼尖安装角为3°-4°，前缘后掠角为28°-30°，后缘后掠角为22°-24°，下反角为12°-13°；V形垂尾(15)安装于机体沿航向的86-88％位置处，展向夹角为95-105°，V形垂尾(15)的前缘后掠角为43°-45°，后缘后掠角为36°-38°；平尾(16)的安装角为3°-5°，前缘后掠角为32°-34°，后缘后掠角为27°-28°。
4.根据权利要求1所述的一种用于海水样本采集的无人地效飞机，其特征在于：可收放式起落架(11)为前三点式起落架，以减小无人地效飞机飞行时的气动阻力，前起落架位于机身前下方，前后方向收起，主起落架位于翼身融合处，左右方向收起。
5.根据权利要求1所述的一种用于海水样本采集的无人地效飞机，其特征在于：在起落架舱门关闭时，起落架舱门之间以及起落架舱门与机体之间采用交叠齿状橡胶进行密封。
6.根据权利要求1所述的一种用于海水样本采集的无人地效飞机，其特征在于：飞控系统包括飞控计算机(18)、陀螺仪(19)、空速管(17)、大气数据计算机(20)和操纵舵机，飞控计算机(18)用于数据的处理与计算，陀螺仪(19)用于测量飞机各分量上的角速度与角加速度，空速管(17)和大气数据计算机(20)用于测量飞机飞行速度与高度，操纵舵机包括油门操纵舵机(22)和舵面操纵舵机(21)，分别用于油门大小的改变以及舵面的操纵。
7.根据权利要求1所述的一种用于海水样本采集的无人地效飞机，其特征在于：所述无人低效飞机还包括紧急信号发射器(6)，所述紧急信号发射器(6)用于该无人地效飞机在因故障迫降于水面上并无法复飞之后，不断发送呼救与定位信号。
8.根据权利要求2所述的一种用于海水样本采集的无人地效飞机，其特征在于：所述无人地效飞机还包括三个浮筒(10)，分别在机翼的翼梢两端与V形垂尾的下方。
9.根据权利要求2所述的一种用于海水样本采集的无人地效飞机，其特征在于：机身的前后部各有一个相互独立的水密舱(28，29)，机翼的翼根至1/3翼展处以及1/3翼展至2/3翼展设为相互独立的水密舱。
10.根据权利要求8所述的一种用于海水样本采集的无人地效飞机，其特征在于：机体水密舱包括机体隔框(34)、机体蒙皮(35)、耐腐蚀密封橡胶(37)和角铝(38)，机体隔框(34)采用整体腹板加筋的形式，在机体蒙皮(38)与隔框(34)之间加垫耐腐蚀密封橡胶(39)，再使用铆钉(36)贯穿连接，机体隔框(34)的一侧采用角铝(38)进行加强，角铝(38)的两端使用密封胶(39、40)进行密封处理。
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