CN109455297A - 一种短距起降三栖无人航行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短距起降三栖无人航行器，其机身的首部设有空气螺旋桨，中部设有可以收张的机翼，尾部设有尾翼，且尾部下方设有尾部水下推进器，其特征在于：所述机身内设有压载舱机身下部设有左右两个起落滑板；所述起落滑板的横截面呈弧形，向机身内侧凹陷，起落滑板构成了机身壳体的一部分，同时作为压载舱的舱门；所述起落滑板的前端与机身主体铰接，起落滑板的后部与液压杆连接，由液压杆驱动开合，同时实现对压载舱启闭的控制，起落滑板的打开方向为朝向机身外侧的斜下方。本发明主要适用于翼展较长、对起飞速度要求较低、同时质量轻的中小型无人航行器，具有优异的水动力学性能，可以实现在水面上的短距离滑跃起飞，意义重大。

Description

一种短距起降三栖无人航行器

技术领域

本发明属于机械技术领域，具体为一种能在水下、水面及空中航行并进行短距快速起飞及下潜的三栖无人航行器。

背景技术

让飞机也能潜水，这个设想可以追溯到1944年。由美国人第一次申请了飞行潜艇的专利。七十几年来人们从未放弃过这个梦想，但是由于空气和水这两种不同介质的属性导致的一系列相互矛盾的问题。例如航空器需要机体密度越小越好，而潜艇在水中则需要密度和水一致等。这些问题一直困扰着人们以至于直到2014年世界上才有一款采用多旋翼技术的可在水中和空中同时航行的无人机才问世。由于多旋翼技术是采用类似直升机的旋翼原理，其自身有很多固有的劣势，例如由于其用螺旋桨产生的升力去平衡重力，所以就会浪费许多的能量用于给重力做功，航程短，速度慢就成了制约其发展的主要因素。直至目前，固定翼设计的三栖航行器依旧没有能够实现实质性的进展，制约其最主要的原因是起飞和下潜所造成的技术困难。

发明内容

本发明的技术目的是在现有技术的基础上进行改进，提供一种具有在海面上快速升降，同时兼具快速下潜功能的新型三栖无人航行器。

本发明提供的技术方案为：

一种短距起降三栖无人航行器，包括机身，所述机身的首部设有空气螺旋桨，中部设有可以收张的机翼，尾部设有尾翼，且尾部下方设有尾部水下推进器，其特征在于：

所述机身内设有压载舱机身下部设有左右两个起落滑板；

所述起落滑板的横截面呈弧形，向机身内侧凹陷，起落滑板构成了机身壳体的一部分，同时作为压载舱的舱门；所述起落滑板的前端与机身主体铰接，起落滑板的后部与液压杆连接，由液压杆驱动开合，同时实现对压载舱启闭的控制，起落滑板的打开方向为朝向机身外侧的斜下方。

在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：

在所述压载舱的前侧，机身内设有微调舱，所述微调舱通过连接器与压载舱连通，所述连接器为设有阀门的通道。所述微调舱内设有首部升沉推进器，用于辅助航行器在水下的升沉动作。

所述起落滑板的左右两侧，至少一侧通过连接板与压载舱对应的舱壁连接，所述连接板整体或局部采用柔性材料制成，压载舱关闭时，连接板处于压载舱内。

所述起落滑板的打开方向与机身下方垂直方向的夹角为25～50°。

所述起落滑板的边沿设有防水密封橡胶垫。

所述空气螺旋桨为折叠式螺旋桨，航行器在水下航行时，控制空气螺旋浆的桨叶向机身方向折叠，以降低航行器在水下航行时的阻力。

有益效果：

本发明三栖无人航行器主要适用于翼展较长、对起飞速度要求较低、同时质量轻的中小型无人航行器，本发明结构设计新颖，规划合理，其起飞初期阶段机身的升力是由起落滑板所呈现的独特水动力学性能提供，不需要额外的吸水及排水设备，减轻了重量，可以实现在水面上的短距离滑跃起飞，意义重大，同时起落滑板还兼顾了控制稳性和耐波性。

附图说明

图1为航行器一实施例的整体结构示意图；

图2为航行器放下起落滑板并打开机翼的前视结构示意图；

图3为航行器收起起落滑板和机翼的前视结构示意图；

图4为航行器收起起落滑板、机翼及螺旋桨的侧视结构示意图；

图5为航行器放下起落滑板并打开机翼的俯视结构示意图；

图6为航行器水下工作俯视状态的示意图；

图7为航行器水面准备起飞俯视状态的示意图；

图8为航行器起飞过程的工作状态示意图；

图9为航行器起落滑板开合方向的示意图；

图10为航行器放下起落滑板并打开机翼的仰视结构示意图；

图11为起落滑板和压载舱的结构示意图；

图12为航行器放下起落滑板并打开机翼的仰视立体结构示意图；

图13起落滑板多个实施方案的示意图。

1-前空气螺旋桨，2-前发动机，3-机翼，4-起落滑板，5-液压杆，6-尾部水下推进器，7-电池舱，8-压载舱，9-燃料舱，10-控制舱，11-尾翼，12-首部升沉推进器，13-微调舱，14-铰链，15-液压杆，16-机身。

具体实施方式

为了进一步阐明本发明的技术方案和工作原理，下面结合附图与具体实施例对本发明做详细的说明。

根据对目前世界上现有的短距起降飞机（美国的F35，俄罗斯的Su-33）的研究发现，短距起降的飞机有几个必要条件：一）在起飞的过程中机身前部有持续的强力的支撑（例如F35），或者是现有跑道能提供较大的仰角（例如Su-33使用的滑越跑道）。二）机体有足够的推力。

基于上述条件，本发明设计将机身两侧的机身壳体作为滑板，由液压杆控制开合，在起飞阶段，利用其在较低速度的情况下能获得较大升力的性能，满足了第一条件。同时因为海浪的存在，要保证机身稳定，设计起落滑板向斜下方开合。 由于尾部水下推进器在水中能有足够的推力，从而满足了第二个条件。这样无人机能在起飞过程中有前部稳定支撑，较大的仰角和足够推力的保证，从而满足短距起降条件。在起落滑板打开的同时，压载水能自动排出，无需排水设备。潜水阶段，起落滑板打开，海水迅速进入压载舱，可实现快速下潜。

如图1至图13所示，一种短距起降三栖无人航行器，包括扁平的机身16。所述机身16内设有发动机2、电池仓7、压载舱8、燃料舱9和控制舱10等，同时可选择性设置微调舱13。

机身16的首部设有空气螺旋桨1，中部设有可以收张的机翼3，尾部设有尾翼11和尾部水下推进器6。所述空气螺旋桨1优选采用折叠式螺旋桨，当航行器在水下航行时，控制舱10内的控制设备通过驱动机构控制机翼3和空气螺旋浆1的桨叶向机身16方向折叠，以降低航行器水下航行的阻力。所述尾部水下推进器6安装在机身尾部的下方，可采用吊舱式螺旋桨，也可以为喷水推进装置。所述尾翼11包括垂直尾翼和两侧的斜尾翼，航行器在水下航行时，其上、下、左、右的航行方向主要通过控制舱10驱动斜尾翼和/或垂直尾翼的方向舵控制。

所述电池仓7用于安装电池，为控制舱10及航行器上的其它耗电元器件供电。所述燃料舱主要为发动机提供能源，所述发动机2包括驱动空气螺旋桨1的前发动机和驱动尾部水下推进器6的后发动机等，如选择设置微调舱13，还包括驱动首部升沉推进器12的发动机单元。

机身16的下部对称设有左右两个起落滑板4，起落滑板4为机身壳体的一部分，同时也作为压载舱8的舱门，即机身16设有左右两个对称的压载舱8，每个压载舱8对应一个起落滑板4。起落滑板4的前端与机身主体（除了起落滑板4外的其余部分）通过铰链14铰接，起落滑板4的后部通过设置在压载舱8内的液压杆5与机身主体连接。控制舱10通过驱动液压杆5控制起落滑板4的开合，同时实现对压载舱8启闭的控制，起落滑板4的打开方向为朝向机身16外侧的斜下方，与机身下方垂直方向的夹角一般控制为25～50°，如图9所示。所述起落滑板4的横截面设计为凹弧形，根据试验，向机身内侧凹陷的起落滑板，打开后在航行器有速度的情况下能提供较好的升力。所述起落滑板4的边沿设有防水密封橡胶垫，在压载舱8关闭时保证水密。

所示微调舱13为选配部件，根据无人机的大小和运行需求设置，位于压载舱8的前侧。所述微调舱13设有左右两个开口向下的圆柱形舱室，两圆柱形舱室通过连接器A与对应的压载舱8连通，所述连接器为设有阀门的通道，所述阀门的信号输入端与控制舱10的控制单元连接。圆柱形舱室内设有首部升沉推进器12，所述首部升沉推进器12采用轴向方向垂直于机身的螺旋桨，可以产生向下的推力，用于辅助调节航行器在水下的升沉动作。

所述起落滑板4的左右两侧，至少一侧通过连接板B与压载舱8对应的舱壁连接，所述连接板B整体或局部采用柔性材料制成。如图13所展示的，从左至右分别为：起落滑板4左右两侧均通过连接板B与压载舱8舱壁连接；起落滑板4的内侧通过连接板B与压载舱8的舱壁连接；起落滑板4与压载舱8不设连接板B。在起落滑板4收起状态下，所述连接板B是被完全收纳在压载舱8中的。

工作流程：

1）水面-水下：

将航行器静置于水面，控制单元控制机身两侧的机翼3向后收缩，使其向机身16的纵向中线靠拢。驱动液压杆5打开，带动起落滑板4打开。海水将自动进入压载舱8，若设置微调舱13，在此过程中，连接器A的阀门是打开的，即压载舱8与微调舱13相通，保证下潜时压载舱8内的气压平衡，使压载舱8被压载水全部注满。当航行器完全沉入水下后，液压杆5收缩带动起落滑板4关闭，将连接器A的阀门也关闭，将压载舱8和微调舱13舱室隔离，将压载舱8密封。

控制单元控制尾部水下推进器6工作，使航行器在水下航行。航行器主要通过尾翼11控制其航行方向，当设有微调舱13时，可通过首部升沉推进器12产生向上的升力，辅助调节航行器的升沉运动。

2）水下-水面：

当需要在航行器在水面航行时，首先调节尾翼11，在有微调舱13的情况下也可同时调节首部升沉推进器12。使航行器上潜至水面附近，打开起落滑板4，起落滑板4打开到位时与机身纵向中线的夹角为10°至15°，与机身下方垂直方向的夹角为25～50°。此时压载舱8内的压载水与外界海水相连，尾部水下推进器6仍在水中。

控制尾部水下推进器6工作，使航行器向前加速行进，在有速度的情况下，水浮力作用于倾斜的起落滑板4上，对机身产生抬升力，只需要较小的速度就能够将机身16抬出水面，从而减小起飞阻力。而压载舱8内的压载水在重力和惯性作用下会自动排出，从而使航行器能在水面航行。若想要长时间在水面航行，则需先起飞，参见“水面-空中”，然后关闭起落架滑板4，降落于水面，再在水面长时间航行。

3）水面-空中；

如图8所示，当航行器要起飞时，先上潜航行至靠近水面附近的位置（图8A-B）；打开起落架滑板4，然后启动尾部水下推进器6，当机头及前半部机身抬出水面后，控制机翼3展开（图8C）；待尾部水下推进器6推到最大功率，此时机身仰角达最大值（航行器头部与水面的距离大于空气螺旋桨1桨叶的长度），控制空气螺旋桨1展开并旋转，带动航行器起飞（如图8D），关闭尾部水下推进器6。在起飞的过程中压载水由于重力和惯性的作用自动排出。

4）降落：

需要降落时，若需要在水面航行，此时若落架滑板4处于打开状态，先关闭起落滑板4，然后调节机翼3和尾翼11的仰角，将航行器缓慢降落至水面后，关闭空气螺旋桨1，完成降落。若需要直接下潜，则保持起落滑板4打开的状态至降落后，吸满压载水后再关闭。

本实施例航行器采用了现有专利文献“三栖无人航行器”（申请号201510460578X）中的机翼设计，其起落滑板和压载舱不会破坏机身表面的流线型装，且几乎不会占用额外的空间和重量，使无人机可以在海面上快速起降，同时兼具快速潜水的功能，加大了航行器的待机时间，从而使其综合工作时间延长至数十甚至数百小时。这种新型三栖无人机可以便于守岛官兵或巡逻船只对水域随时进行水下探测，水纹搜集，空中侦察，或是配发与各个舰船，使其可随时进行中继制导，反潜等活动。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种短距起降三栖无人航行器，包括机身（16），所述机身（16）的首部设有空气螺旋桨（1），中部设有可以收张的机翼（3），尾部设有尾翼（11），且尾部下方设有尾部水下推进器（6），其特征在于：

所述机身（16）内设有压载舱（8），机身下部设有左右两个起落滑板（4）；

所述起落滑板（4）的横截面呈弧形，向机身内侧凹陷，起落滑板（4）构成了机身壳体的一部分，同时作为压载舱（8）的舱门；所述起落滑板（4）的前端与机身主体铰接，起落滑板（4）的后部与液压杆（5）连接，由液压杆（5）驱动开合，同时实现对压载舱（8）启闭的控制，起落滑板（4）的打开方向为朝向机身（16）外侧的斜下方。

2.根据权利要求1所述的一种短距起降三栖无人航行器，其特征在于：在所述压载舱（8）的前侧，机身内设有微调舱（13），所述微调舱（13）通过连接器与压载舱（8）连通，所述连接器为设有阀门的通道；所述微调舱（13）内设有首部升沉推进器（12），用于辅助航行器在水下的升沉动作。

3.根据权利要求1或2所述的一种短距起降三栖无人航行器，其特征在于：所述起落滑板（4）的左右两侧，至少一侧通过连接板与压载舱（8）对应的舱壁连接，所述连接板整体或局部采用柔性材料制成，压载舱（8）关闭时，所述连接板被收纳于压载舱（8）内。

4.根据权利要求1或2所述的一种短距起降三栖无人航行器，其特征在于：所述起落滑板（4）的打开方向与机身下方垂直方向的夹角为25°～50°。

5.根据权利要求1或2所述的一种短距起降三栖无人航行器，其特征在于：所述起落滑板（4）的边沿设有防水密封橡胶垫。

6.根据权利要求1或2所述的一种短距起降三栖无人航行器，其特征在于：所述空气螺旋桨（1）为折叠式螺旋桨，航行器在水下航行时，控制空气螺旋浆（1）的桨叶向机身（16）方向折叠。