CN110722941A - 一种旋翼型水空跨越两栖航行器及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是公开了一种旋翼型水空跨越两栖航行器及其使用方法，航行器包括：一机身，其周围设置有浮力材料；n个空气动力单元；n个水下动力单元；n副浆臂，每副浆臂的一端均连接至机身上，每副浆臂的另一端：其上方设置有空气动力单元，其下方设置有水下动力单元；n根支架，每个支架分别垂直安装于每副浆臂上靠近机身一端的下方，n为偶数；控制盒内设有电控系统，电控系统，用于控制航行器的空气动力单元、水下动力单元的工作状态，以控制航行器的整机姿态，并实现航行器的空中飞行、空中悬停、受控入水、水下航行、水下悬停以及受控出水状态。解决了现有技术中两栖航行器在水空跨越过程中运动状态及航行稳定性差的问题。

Description

一种旋翼型水空跨越两栖航行器及其使用方法

技术领域

本发明涉及航行器技术领域，具体涉及一种旋翼型水空跨越两栖航行器及其使用方法。

背景技术

近年来，随着航空航海技术的快速发展和融合，以及海洋空间探测领域的不断拓展，越来越多的国家和研究者开始关注一类新概念两栖航行器，这一类航行器集飞机、水面舰艇、潜艇等多重功能于一身，充分利用三种平台的优点，可以实现空中飞行、水面起降、水下潜航等功能，以及完成不同介质间的平稳转换，与传统单一介质航行器相比具有明显的优势和很高的军事和民用价值。

由于水和空气两种介质物性上存在的巨大差异，以及水空界面两侧流场上的割裂导致航行环境的巨变，使该类新型两栖航行器在水空跨越过程中受力变化极其剧烈且复杂，均对其运动状态、航行的稳定性及控制造成较大影响，因此该类新型两栖航行器还处于探索研究阶段。

发明内容

本发明的目的是提供一种旋翼型水空跨越两栖航行器及其使用方法，以解决现有技术中两栖航行器在水空跨越过程中运动状态及航行稳定性差的问题。

本发明采用以下技术方案：一种旋翼型水空跨越两栖航行器，航行器包括：

一机身，包括控制盒，控制盒采用防水材料密封，其周围设置有浮力材料；

n个空气动力单元，用于提供航行器空中飞行的动力，n为偶数；

n个水下动力单元，用于提供航行器水中滑行的动力，n为偶数；

n副浆臂，每副浆臂的一端均连接至机身上，每副浆臂的另一端：其上方设置有空气动力单元，其下方设置有水下动力单元；n副浆臂的轴线位于同一平面，n为偶数；

n根支架，每个支架分别垂直安装于每副浆臂上靠近机身一端的下方，n为偶数；

控制盒内设有电控系统，电控系统，用于控制航行器的空气动力单元、水下动力单元的工作状态，以控制航行器的整机姿态，并实现航行器的空中飞行、空中悬停、受控入水、水下航行、水下悬停以及受控出水状态。

进一步的，n取4时，相邻浆臂的轴线夹角为90°。

进一步的，每个空气动力单元均包括由上至下连接设置的空中旋翼和电机，电机驱动空中旋翼旋转。

进一步的，每个水下动力单元均包括由上至下连接设置的电机和螺旋桨，电机驱动螺旋桨旋转。

进一步的，机身上方设置有照明光源和图像记录设备。

进一步的，空中旋翼选用1047螺旋桨，水下螺旋桨选用直径为52cm的水下螺旋桨，电机选用KV450电机。

进一步的，机身下方设置有电池。

本发明采用的第二种技术方案是，一种旋翼型水空跨越两栖航行器的使用方法，航行器的受控入水过程具体为：

航行器采用垂直受控方式入水，受控入水时，与空中旋翼连接的各个电机的转速保持一致并逐渐减小，使机体缓缓下降至水面以下；机体完全浸没于水中后，关闭与空中旋翼连接的各个电机，启动与水下螺旋桨连接的各个电机，准备进入水下航行。

进一步的，航行器的水下悬停过程具体为：航行到达预定深度后，调节与水下螺旋桨连接的各个电机的转速和机体姿态实现水下航行；当各个水下螺旋桨产生的拉力及机体浮力之和约等于航行器重力，使得航行器处于水下悬停状态。

进一步的，航行器的受控出水过程具体为：调整机体姿态并逐渐加大与水下螺旋桨连接的各个电机的转速，增加推力，使航行器实现垂直缓慢上浮；直至各个空中旋翼完全裸露于空气中，而水下螺旋桨浸没于水下继续工作，随后关闭与水下螺旋桨连接的各个电机、启动与空中旋翼连接的各个电机，完成出水运动。

本发明的有益效果为，该旋翼型水空跨越两栖航行器结构简单，采用分层动力布局、接力推进垂直跨越的思想实现空中飞行、水下潜航以及多次水空跨越的基本功能，具备良好的水下、空中操纵性和复杂环境的适应性，军事和民用前景广阔。

附图说明

下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。

图1为本发明一种旋翼型水空跨越两栖航行器的结构示意图。

图中，1.空中旋翼，2.螺旋桨，3.照明光源，4.图像记录设备，5.电机，6. 浆臂，7.支架，8.浮力材料，9.电池，10.控制盒。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种旋翼型水空跨越两栖航行器，如图1所示，航行器包括位于中央的一个机身结构，其内设置有控制盒10，该控制盒10内设有电控系统，该控制盒10的外部采用防水材料制成并保证其绝对密封，在该控制盒10的周围设置有一圈浮力材料8，浮力材料8可以为泡沫，目的是为机身提供浮力。控制盒10内设有整个航行器的电控系统，该电控系统用于控制该航行器的空气动力单元、水下动力单元启动或关闭的工作状态，还用于调节航行器的整机姿态，从而控制航行器在空中飞行、空中悬停、受控入水、水下航行、水下悬停以及受控出水六种状态之间切换。

还包括n个空气动力单元，其是用于提供航行器在空中飞行的动力，n为偶数，即空气动力单元可以为两个、四个、六个或八个等等，其数量的多少主要取决于浆臂的数量，要在每副浆臂上安装空气动力单元和水下动力单元。本发明的实施例是以n取4为例来进行描述的，当n取4时，浆臂6、空气动力单元、水下动力单元和支架7均为4，则相邻浆臂的轴线夹角为90°。每个空气动力单元均包括空中旋翼1、电机5和电子调速器，电机5驱动空中旋翼1旋转。

如上，n个浆臂上都要安装水下动力单元，其是用于提供航行器水中滑行的动力，所以水下动力单元的个数为n，n为偶数，即水下动力单元可以为两个、四个、六个或八个等等。每个水下动力单元均包括螺旋桨2、电机5和电子调速器，电机5驱动螺旋桨2旋转。

在实际使用中，空中旋翼1可以选用1047螺旋桨，水下螺旋桨2可以选用直径为52cm的水下螺旋桨，电机5可以选用KV450电机。

还包括n副浆臂6，每副浆臂6的一端均连接至机身上，每副浆臂6的另一端的上下均设置有动力装置，在上方设置有空气动力单元，在下方设置有水下动力单元。该n副浆臂6的间距、夹角要均匀设置、且各个浆臂6的轴线要位于同一平面内，n副浆臂6形成的平面与机身的轴线垂直。

还包括n根支架7，每个支架7一一对应的垂直安装在每副浆臂6的下方，且将每个支架7在靠近机身侧设置，n为偶数。

本发明还提供了一种旋翼型水空跨越两栖航行器的使用方法，在旋翼型水空跨越两栖航行器时，以从空中飞行开始为例，两栖航行器运动周期可分为空中飞行、空中悬停、受控入水、水下航行、水下悬停以及受控出水6个阶段。

空中飞行阶段：飞行状态下，空中旋翼工作。根据实际需求，调节电机5的转速和机体姿态，实现前向、后向、偏航、滚转等机动动作。

空中悬停阶段：空中悬停是该航行器的特色功能之一，也是其实现垂直受控入水的前提条件。在此状态下，空中旋翼1产生的拉力约等于航行器重力。空中悬停状态的航行器具备较强的抗干扰能力。

受控入水阶段：受控入水是该航行器的特色功能之一，航行器采用垂直受控方式入水，既能够减轻冲击入水对机体零件造成的损伤危险，又可以避免由倾斜入水导致机体受力不均匀，发生反转、倾覆等现象。受控入水时，空中旋翼1的电机5的转速保持一致并逐渐减小，使机体缓缓下降至水面以下。由于机体密度大于水密度，完全浸没于水中后，关闭空中旋翼1的电机5，启动水下螺旋桨2 的电机5，调整机体姿态，为水下航行做好准备。

水下航行阶段：到达预定深度后，调节水下螺旋桨2的电机5的转速和机体姿态实现水下航行。必要情况下，也可完成前向、后向、侧偏、滚转等机动动作。

水下悬停阶段：水下悬停是该航行器的特色功能之一，也是其实现垂直出水的前提条件。在此状态下，水下螺旋桨2产生的拉力及机体浮力之和约等于航行器重力。水下悬停状态的航行器具备较强的抗干扰能力。

受控出水阶段：受控出水是该航行器的特色功能之一，调整机体姿态并逐渐加大水下螺旋桨2的电机5的转速，增加推力，使航行器实现垂直缓慢上浮。直至机体，尤其是空中旋翼1完全裸露于空气中(这一过程中，水下螺旋桨2浸没于水下继续工作，保持机体姿态的稳定)，随后关闭水下螺旋桨2的电机5、启动空中旋翼1的电机5，完成出水运动。

实施例

本发明以n取4为例，如图1所示，航行器包括：空中旋翼1；水下螺旋桨 2；电机5；浆臂6；支架7；浮力材料8；电池9；控制盒10；照明光源3和图像记录设备4。该旋翼型水空跨越两栖航行器整体密度略大于水，浮力材料8、电池9、控制盒10、照明光源3和图像记录设备4构成航行器机身，最上层为图像记录设备4和照明光源3，中层为控制盒10，采用轻质耐压水密材料制造而成，具备足够的强度、稳定性和水密性能，同时可以提供一定的浮力，内部布置控制电路板、电子调速器、传感器等需要进行防水处理电子元器件，下层为电池9，便于经常进行拆卸、更换和充电。浮力材料8位于控制盒10周围，根据需要进行调整，以确保航行器整体密度略大于水，呈90°交叉布置于机身周围，电路走线在浆臂6内，电机5分别固定于浆臂6外端上下方，空中旋翼1分别位于浆臂 6上方的电机5，水下螺旋桨2分别位于浆臂6下方的电机5，支架7垂直安装与浆臂6内端下方。

一种旋翼型水空跨越两栖航行器整体密度略大于水，控制电路、元器件集中安装在机身内，电路走线在浆臂内，确保整体美观。动力单元采用电动推进系统，包括4个空气动力单元和4个水下动力单元，每个动力单元又包括1个电机、1 个空中旋翼或水下螺旋桨、1个电子调速器。控制盒10使用轻质耐压水密材料制造而成，具备足够的强度、稳定性和水密性能，同时可以提供一定的浮力，内部布置控制电路板、电子调速器、传感器等需要进行防水处理电子元器件。浮力材料可选用塑料泡沫，但不仅仅限于塑料泡沫，位于控制盒周围，根据需要进行调整，以确保航行器整体密度略大于水。电池位于控制盒下方，便于经常进行拆卸、更换和充电。

本发明涉及一种旋翼型水空跨越两栖航行器，该航行器采用分层动力布局、接力推进垂直跨越的思想实现空中飞行、水下潜航以及水空界面重复跨越的基本功能，整体密度略大于水，有位于浆臂上层的空中旋翼和下层水下螺旋桨，浆臂沿圆周均匀分布，同轴的旋翼和螺旋桨旋转方向相同，相邻的旋翼和螺旋桨旋转方向相反。空中飞行时只有空中动力机构即空中旋翼工作，水下动力机构即水下螺旋桨静止；水下航行时水下动力机构即水下螺旋桨工作，空中动力机构即空中旋翼静止，通过调整电机的转速实现水下六自由度运动；在水空介质跨越过程中，切换空中/水下动力机构。

Claims (10)

1.一种旋翼型水空跨越两栖航行器，其特征在于，所述航行器包括：

一机身，包括控制盒(10)，所述控制盒(10)采用防水材料密封，其周围设置有浮力材料(8)；

n个空气动力单元，用于提供所述航行器空中飞行的动力，n为偶数；

n个水下动力单元，用于提供所述航行器水中滑行的动力，n为偶数；

n副浆臂(6)，每副所述浆臂(6)的一端均连接至所述机身上，每个所述浆臂(6)的另一端：其上方设置有所述空气动力单元，其下方设置有所述水下动力单元；n副所述浆臂(6)的轴线位于同一平面，n为偶数；

n根支架(7)，每个支架(7)分别垂直安装于每个所述浆臂(6)上靠近所述机身一端的下方，n为偶数；

所述控制盒(10)内设有电控系统，所述电控系统，用于控制所述航行器的空气动力单元、水下动力单元的工作状态，以控制所述航行器的整机姿态，并实现所述航行器的空中飞行、空中悬停、受控入水、水下航行、水下悬停以及受控出水状态。

2.如权利要求1所述的一种旋翼型水空跨越两栖航行器，其特征在于，所述n取4时，相邻所述浆臂的轴线夹角为90°。

3.如权利要求1或2所述的一种旋翼型水空跨越两栖航行器，其特征在于，每个所述空气动力单元均包括由上至下连接设置的空中旋翼(1)和电机(5)，所述电机(5)驱动所述空中旋翼(1)旋转。

4.如权利要求3所述的一种旋翼型水空跨越两栖航行器，其特征在于，每个所述水下动力单元均包括由上至下连接设置的电机(5)和螺旋桨(2)，所述电机(5)驱动所述螺旋桨(2)旋转。

5.如权利要求4所述的一种旋翼型水空跨越两栖航行器，其特征在于，所述机身上方设置有照明光源(3)和图像记录设备(4)。

6.如权利要求4所述的一种旋翼型水空跨越两栖航行器，其特征在于，所述空中旋翼(1)选用1047螺旋桨，所述水下螺旋桨(2)选用直径为52cm的水下螺旋桨，所述电机(5)选用KV450电机。

7.如权利要求4所述的一种旋翼型水空跨越两栖航行器，其特征在于，所述机身下方设置有电池(9)。

8.如权利要求1-6中任意一项所述的一种旋翼型水空跨越两栖航行器的使用方法，其特征在于，所述航行器的受控入水过程具体为：

所述航行器采用垂直受控方式入水，受控入水时，与空中旋翼(1)连接的各个电机(5)的转速保持一致并逐渐减小，使机体缓缓下降至水面以下；机体完全浸没于水中后，关闭与空中旋翼(1)连接的各个电机(5)，启动与水下螺旋桨(2)连接的各个电机(5)，准备进入水下航行。

9.如权利要求8所述的一种旋翼型水空跨越两栖航行器的使用方法，其特征在于，所述航行器的水下悬停过程具体为：

航行到达预定深度后，调节与水下螺旋桨(2)连接的各个电机(5)的转速和机体姿态实现水下航行；当各个水下螺旋桨(2)产生的拉力及机体浮力之和约等于航行器重力，使得所述航行器处于水下悬停状态。

10.如权利要求8所述的一种旋翼型水空跨越两栖航行器的使用方法，其特征在于，所述航行器的受控出水过程具体为：

调整机体姿态并逐渐加大与水下螺旋桨(2)连接的各个电机(5)的转速，增加推力，使航行器实现垂直缓慢上浮；直至各个空中旋翼(1)完全裸露于空气中，而水下螺旋桨(2)浸没于水下继续工作，随后关闭与水下螺旋桨(2)连接的各个电机(5)、启动与空中旋翼(1)连接的各个电机(5)，完成出水运动。

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