CN109592034B - 一种潜水飞机及其机翼收纳方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种潜水飞机，机翼的根部与机翼连接器固定连接，机翼连接器的后端设有作为机翼旋转中心的直立的转轴；机身的两侧设有机翼收纳滑槽，机翼收纳滑槽包括容纳转轴的转轴滑槽和容纳机翼的收纳槽，收纳槽的长度与机翼的长度匹配；转轴与驱动机翼收纳/展开的驱动装置连接；飞行姿态下，机翼由机翼连接器以展开姿态固定于机翼收纳滑槽前端；潜水姿态下，机翼沿机翼收纳滑槽向后滑动并绕转轴旋转后，其部分结构固定在收纳槽内。本发明将机翼本身设计为不可活动的整体，保证其结构强度，不易出现断翼的事故；特别设计了机翼连接处的转轴和机身连接处的滑槽、收纳槽，使机翼可以灵活地在机翼收纳滑槽中平移、旋转，灵巧地实现变形。

Description

一种潜水飞机及其机翼收纳方法

技术领域

本发明涉及一种潜水飞机，具体涉及一种潜水飞机及其机翼收纳方法。

背景技术

潜水飞机技术的实现主要需要解决机翼的变形与收纳问题。现有技术已有采用转轴式鸭翼在纵轴和平行于机身纵轴两个方位间转动，以实现机翼的变形与收纳；也有部分采用外挂的双转轴对机翼进行向后折叠的变换；部分直接采用固定旋翼的设计，无固定翼。例如：文献号为CN106986023A、公开日2017年7月28日；名称为“潜水飞机”的中国专利文献，文献号为CN106828909A、公开日2017年6月13日，名称为“一种潜水飞机”的中国专利文献；文献号为CN102390229A、公开日为2012年3月28日、名称为“潜水飞机机翼变换机构”的中国专利文献。

其中：采用转轴式鸭翼的技术，将机翼位置固定在机背中心，翼展即为机背长度，限制了翼展长度；采用双转轴+后折的设计，机翼本身形状发生改变，其支撑结构为可活动的平行四边形，机翼的结构强度不佳；采用固定旋翼的设计，对发动机推重比要求大，不利于提升载荷和实现大型化；

此外，现有技术多采用两套动力系统(空中、水下)，这不但增加了飞行器的空重，使最大载荷减小，还会使飞行器航电控制变得冗杂，使飞行器的故障率增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种潜水飞机及其机翼收纳方法，机翼与机身的连接处特制为包含一根转轴的结构，机身两侧特制有可容纳机翼连接处的滑槽，使机翼可以在预置的滑槽里进行平移和旋转，机翼内部结构在变换过程中不发生任何改变。该项设计在不影响机翼结构强度的前提下保证了足够大的翼展和飞行器结构的整体性，结合船体机身和机身内部的压水仓设计可以达到潜艇或水上飞机的效果。同时，该发明设计了可收纳的垂直尾翼，进一步减小水下运行时的阻力面积。为避免动力系统的冗杂，采用两个由变速电机驱动的涵道风扇作为动力，同时用于水上、水下环境。由于减少了运行时闲置发动机的数量，减少了不必要的载荷，也提升了航电控制的可靠性。适用于无人机。

本发明采取以下技术方案：

一种潜水飞机，机翼2的根部与机翼连接器3固定连接，机翼连接器3的后端设有作为机翼旋转中心的直立的转轴12；机身的两侧设有机翼收纳滑槽4，所述机翼收纳滑槽4包括容纳转轴12的转轴滑槽4a和容纳机翼的收纳槽4b，所述收纳槽4b的长度与机翼2的长度匹配；所述转轴12与驱动机翼收纳/展开的驱动装置连接；飞行姿态下，机翼2由机翼连接器3以展开姿态固定于机翼收纳滑槽4前端；潜水姿态下，机翼2沿机翼收纳滑槽4向后滑动并绕转轴12旋转后，其部分结构固定在所述收纳槽4b内。

进一步的，所述机翼连接器3与机翼收纳滑槽4具有以下嵌合面：转轴滑槽4a端部的半圆弧结构与圆柱形的转轴12形成第一嵌合面；机翼连接器3上、下表面与收纳槽4b形成第二、三嵌合面。

进一步的，所述机身尾部的中央设有竖直的尾翼滑槽，尾翼固件7包括嵌入尾翼滑槽内的垂直尾翼8和固定在尾翼滑槽8上部的水平尾翼9；潜水姿态下，垂直尾翼8嵌入尾翼滑槽8中，飞行姿态下，垂直尾翼8向上翻转，垂直尾翼8上部伸出尾翼滑槽8，并起到方向舵的作用。

更进一步的，机身下部设有压水仓10；由潜水姿态切换到飞行姿态时，压水仓10排空，船体机腹受到浮力将机翼2和机身上部的涵道5抬出水面，此时可由涵道风扇6提供动力，向后喷气，使飞机在水面加速起飞。

更进一步的，所述机翼2后部具有襟翼及副翼11，飞行姿态下，由襟翼及副翼11、水平尾翼9和垂直尾翼8共同控制飞行姿态。

一种上述的潜水飞机的机翼收纳方法，由飞行姿态切换到潜水姿态时，机翼2由机翼连接器3带动，在机翼收纳滑槽4中平移至机身后部，并依赖机身连接处3中的转轴12旋转，使机翼2迎风面收于机翼收纳滑槽4内侧，从而隐蔽升力面；机翼2从正向姿态转为以侧向姿态面对前方，且部分收入机身，不正对于水流；机翼固件7借尾翼滑槽8降低到最低位置，隐蔽垂直尾翼8，以减小阻力面面积；压水仓10注水使潜水飞机平均密度近似于水，使整个潜水飞机潜入水中，以实现下潜；由潜水姿态切换到飞行姿态时，机翼2由机翼连接器3带动，在机翼收纳滑槽4中平移至机身前部，并依赖机身连接处3中的转轴12旋转，使机翼2迎风面展开向前，机翼2从收纳姿态转为横向向外展开，机翼固件7借尾翼滑槽8向上翻转，垂直尾翼8上部伸出尾翼滑槽8，并起到方向舵的作用。

进一步的，潜水姿态下，以涵道风扇6作为动力，向后喷水，使飞机在水中前进；利用两个涵道风扇6的转速差，使飞机在水中转弯；利用襟翼及副翼与轴向的夹角，控制潜水姿态下潜水飞机的滚转，利用水平尾翼9控制潜水状态下的运行姿态。

本发明的有益效果在于：

1)将机翼本身设计为不可活动的整体，保证其结构强度，不易出现断翼的事故。

2)特别设计了机翼连接处的转轴和机身连接处的滑槽、收纳槽，使机翼可以灵活地在机翼收纳滑槽中平移、旋转，灵巧地实现变形。

3)特别设计的机翼收纳滑槽可以使机翼在收起状态下部分嵌入机身，更多地减小阻力面。

4)垂直尾翼设计为可在水下运行时收起，可减小阻力面，减小阻力同时减少尾部乱流。

5)采用双涵道风扇作为统一的动力的系统设计，为飞行器提供了足够的动力。同时，动力系统足够简化，避免了动力系统冗杂引起了无效载荷和低可靠性问题。

6)涵道置于机身背侧、采用类似上进气的进气口设计，更好地实现引擎出水。

7)机翼采用全新的推拉-前折收纳方式，收纳后机翼部分嵌入机身两侧预留的槽位中，大大减小了在水中运行时的阻力。同时，襟翼、副翼裸露在外，且与径向形成一定夹角，可以起到调整潜水飞机水中滚转姿态的作用。

8)机翼采用全新的推拉-前折收纳方式，减小了机身长对翼展长度的制约，使得设计更容易达到大翼展的要求。

9)使用压水仓的沉浮控制设计，降低了方案实现的技术难度。

附图说明

图1是本发明潜水飞机飞行姿态下的立体图。

图2是本发明潜水飞机飞行姿态下另一视角下的立体图。

图3是本发明潜水飞机潜水姿态下的立体图。

图4是本发明潜水飞机潜水姿态下的另一视角的立体图。

图5是机身上的机翼收纳滑槽的示意图。

图6是机翼的结构图。

图7是机身与机翼连接处的示意图。

图8是机翼连接的原理图。

图9是机翼收纳之前的示意图。

图10是机翼收纳中的示意图一。

图11是机翼收纳中的示意图二。

图12是机翼收纳完成的示意图。

图13是以空气为介质的运行稳定性计算示意图。(STAR-CCM计算)

图中，1.机头、2.机翼、3.机翼连接器、4.机翼收纳滑槽、5.涵道外壳、6.涵道风扇、7.尾翼固件、8.垂直尾翼、9.水平尾翼、10.机腹(内含压水仓、11.襟翼及副翼、12.转轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

参见图1-图13，一种潜水飞机，机翼2的根部与机翼连接器3固定连接，机翼连接器3的后端设有作为机翼旋转中心的直立的转轴12；机身的两侧设有机翼收纳滑槽4，所述机翼收纳滑槽4包括容纳转轴12的转轴滑槽4a和容纳机翼的收纳槽4b，所述收纳槽4b的长度与机翼2的长度匹配；所述转轴12与驱动机翼收纳/展开的驱动装置连接；飞行姿态下，机翼2由机翼连接器3以展开姿态固定于机翼收纳滑槽4前端；潜水姿态下，机翼2沿机翼收纳滑槽4向后滑动并绕转轴12旋转后，其部分结构固定在所述收纳槽4b内。

在此实施例中，参见图7，所述机翼连接器3与机翼收纳滑槽4具有以下嵌合面：转轴滑槽4a端部的半圆弧结构与圆柱形的转轴12形成第一嵌合面；机翼连接器3上、下表面与收纳槽4b形成第二、三嵌合面。

在此实施例中，参见图3-4，所述机身尾部的中央设有竖直的尾翼滑槽，尾翼固件7包括嵌入尾翼滑槽内的垂直尾翼8和固定在尾翼滑槽8上部的水平尾翼9；潜水姿态下，垂直尾翼8嵌入尾翼滑槽8中，飞行姿态下，垂直尾翼8向上翻转，垂直尾翼8上部伸出尾翼滑槽8，并起到方向舵的作用。

在此实施例中，参见图4，机身下部设有压水仓；由潜水姿态切换到飞行姿态时，压水仓10排空，船体机腹受到浮力将机翼2和机身上部的涵道5抬出水面，此时可由涵道风扇6提供动力，向后喷气，使飞机在水面加速起飞。

在此实施例中，参见图3-4，所述机翼2后部具有襟翼及副翼11，飞行姿态下，由襟翼及副翼11、水平尾翼9和垂直尾翼8共同控制飞行姿态。

本潜水飞机的机翼收纳方法，由飞行姿态切换到潜水姿态时，机翼2由机翼连接器3带动，在机翼收纳滑槽4中平移至机身后部，并依赖机身连接处3中的转轴12旋转，使机翼2迎风面收于机翼收纳滑槽4内侧，从而隐蔽升力面；机翼2从正向姿态转为以侧向姿态面对前方，且部分收入机身，不正对于水流；机翼固件7借尾翼滑槽8降低到最低位置，隐蔽垂直尾翼8，以减小阻力面面积；压水仓10注水使潜水飞机平均密度近似于水，使整个潜水飞机潜入水中，以实现下潜；由潜水姿态切换到飞行姿态时，机翼2由机翼连接器3带动，在机翼收纳滑槽4中平移至机身前部，并依赖机身连接处3中的转轴12旋转，使机翼2迎风面展开向前，机翼2从收纳姿态转为横向向外展开，机翼固件7借尾翼滑槽8向上翻转，垂直尾翼8上部伸出尾翼滑槽8，并起到方向舵的作用。

潜水姿态下，以涵道风扇6作为动力，向后喷水，使飞机在水中前进；利用两个涵道风扇6的转速差，使飞机在水中转弯；利用襟翼及副翼与轴向的夹角，控制潜水姿态下潜水飞机的滚转，利用水平尾翼9控制潜水状态下的运行姿态。

本发明解决了以下技术问题：

1、机翼的变形与收纳问题。飞行姿态下需要足够大的翼展来获取尽量大的升力，大翼展会使阻力面相应地增大。由于水的粘度与密度远大于空气，在水下运行时阻力面对运行的负面影响显著大于在空气中运行；同时，机翼作为提供向上升力的构件，若在水中使用将产生向上的升力，这极不利于飞行器在水中下潜。故需要一种技术对机翼进行收纳或变换，使其不再发挥机翼产生升力的作用，同时尽量减小阻力面。

2、尾翼的收纳问题。尾翼分为水平尾翼和垂直尾翼。其中，水平尾翼作用为调整飞行器的俯仰姿态，在空气中、水中均不可代替；垂直尾翼(及方向舵)作用为调整飞行方向，在空气中运行时因其周围气流速度较快，效果良好，而在水下运行时，因本设计采用对称的两个发动机驱动，其转向作用可被两个发动机的非对称推力完全取代，而其本身的暴露也会使阻力面、乱流增加，故需要垂直尾翼的收纳方法。

3、动力布局问题。该问题体现在发动机数量、发动机位置和发动机种类方面。发动机数量影响飞行器可获得的推力，发动机位置影响飞行器飞行的稳定性与灵活度，发动机种类决定了飞机使用的能源。特别地，由于空气、水两种流体介质差别较大，应考虑动力装置的通用性。

本发明创造性地将机翼(包括连接点)设计为高结构强度的整体，本身无变形活动，从而保证了机翼的结构强度。设计了特殊的机翼-机身连接处，机翼连接处有转轴设计，机身连接处特制为机翼收纳滑槽，提供以机翼转轴为中心的滑槽供机翼滑动与旋转。机翼收纳滑槽陷于机身，为机翼的收纳留出空间，可使部机翼嵌入机身以减小阻力面。区别于其他的机翼收纳技术，单个机翼长度取决于机身侧槽的长度，而非直接制约于机身长，由此可以达到很大翼展，且机翼-机身结构整体性强，产生的乱流少，利于飞行稳定。

为解决尾翼在水中的阻力问题，在机身尾部预留了垂直于机背槽位，使T字型尾翼的垂尾可以在其中滑动，以控制垂直尾翼的暴露与收起。水平尾翼始终暴露，用于控制飞机的俯仰姿态。

为减少飞机的无效载荷和控制可靠性，本发明采用一对变速电机驱动的涵道风扇作为动力。变速电机使用无刷电机，有良好的防水性能，且可以根据使用的环境(水下、空中)调整转速与扭力，实现在两种不同介质下的有效驱动。涵道置于机身背侧，起飞时可完全离开水面，同时将进气口设计为类似上进气，从而避免了水面起飞时因涵道内积水而可能出现的断浆事故。采用双涵道设计，可在水下通过二维推力矢量调整运行方向，而无需额外的方向舵。

由于水翼会增大阻力面、产生向下升力，对飞行器在空中的运行产生负面影响，且其产生的升力受速度影响而不易控制，故本设计采用传统潜艇的压水仓设计，简易地实现了潜水飞机在水中的下潜、上浮与悬停，降低了技术难度。同时，将起飞与上浮的过程分离开，避免涵道风扇因空气-水交界处的乱流而发生断浆的事故。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (2)

1.一种潜水飞机，其特征在于：

机翼(2)的根部与机翼连接器(3)固定连接，机翼连接器(3)的后端设有作为机翼旋转中心的直立的转轴(12)；

机身的两侧设有机翼收纳滑槽(4)，所述机翼收纳滑槽(4)包括容纳转轴(12)的转轴滑槽(4a)和容纳机翼的收纳槽(4b)，所述收纳槽(4b)的长度与机翼(2)的长度匹配；所述转轴(12)与驱动机翼收纳/展开的驱动装置连接；

飞行姿态下，机翼(2)由机翼连接器(3)以展开姿态固定于机翼收纳滑槽(4)前端；

潜水姿态下，机翼(2)沿机翼收纳滑槽(4)向后滑动并绕转轴(12)旋转后，其部分结构固定在所述收纳槽(4b)内；

所述机翼连接器(3)与机翼收纳滑槽(4)具有以下嵌合面：转轴滑槽(4a)端部的半圆弧结构与圆柱形的转轴(12)形成第一嵌合面；机翼连接器(3)上、下表面与收纳槽(4b)形成第二、三嵌合面；

所述机身尾部的中央设有竖直的尾翼滑槽，尾翼固件(7)包括嵌入尾翼滑槽内的垂直尾翼(8)和固定在尾翼滑槽上部的水平尾翼(9)；潜水姿态下，垂直尾翼(8)嵌入尾翼滑槽中，飞行姿态下，垂直尾翼(8)向上翻转，垂直尾翼(8)上部伸出尾翼滑槽，并起到方向舵的作用；

机身下部设有压水仓(10)；由潜水姿态切换到飞行姿态时，压水仓(10)排空，船体机腹受到浮力将机翼(2)和机身上部的涵道(5)抬出水面，此时可由涵道风扇(6)提供动力，向后喷气，使飞机在水面加速起飞；

所述机翼(2)后部具有襟翼及副翼(11)，飞行姿态下，由襟翼及副翼(11)、水平尾翼(9)和垂直尾翼(8)共同控制飞行姿态。

2.一种权利要求1所述的潜水飞机的机翼收纳方法，其特征在于：

由飞行姿态切换到潜水姿态时，机翼(2)由机翼连接器(3)带动，在机翼收纳滑槽(4)中平移至机身后部，并依赖机翼连接器(3)中的转轴(12)旋转，使机翼(2)迎风面收于机翼收纳滑槽(4)内侧，从而隐蔽升力面；机翼(2)从正向姿态转为以侧向姿态面对前方，且部分收入机身，不正对于水流；机翼固件(7)借尾翼滑槽降低到最低位置，隐蔽垂直尾翼(8)，以减小阻力面面积；压水仓(10)注水使潜水飞机平均密度近似于水，使整个潜水飞机潜入水中，以实现下潜；

由潜水姿态切换到飞行姿态时，机翼(2)由机翼连接器(3)带动，在机翼收纳滑槽(4)中平移至机身前部，并依赖机翼连接器(3)中的转轴(12)旋转，使机翼(2)迎风面展开向前，机翼(2)从收纳姿态转为横向向外展开，机翼固件(7)借尾翼滑槽向上翻转，垂直尾翼(8)上部伸出尾翼滑槽，并起到方向舵的作用；

潜水姿态下，以涵道风扇(6)作为动力，向后喷水，使飞机在水中前进；利用两个涵道风扇(6)的转速差，使飞机在水中转弯；利用襟翼及副翼与轴向的夹角，控制潜水姿态下潜水飞机的滚转，利用水平尾翼(9)控制潜水状态下的运行姿态。