CN112498675B - 一种三轴式四旋翼无人潜水飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三轴式四旋翼无人潜水飞行器，包括机身箱体、三个涵道、四个螺旋桨、四个防水电机、四个固定架、舵叶、舵机、水泵、以及两个单向阀。本发明通过防水电机带动螺旋桨旋转，为飞行器空中飞行及水下航行提供动力；机身箱体通过水泵充水、排水，调节飞行器重量，使其潜入水中或浮出水面；两个涵道对称设置在机身两侧，增加空中飞行和水中航行的稳定性、减小噪音，另一个涵道设置在机身箱体头部，并在该涵道上设置泵喷通孔，为潜水航行提供动力。本发明结构紧凑合理，外形阻力小，能够在空中和水下两种航行模式之间的自由切换。

Description

一种三轴式四旋翼无人潜水飞行器

技术领域

本发明涉及航空器技术领域，尤其涉及一种三轴式四旋翼无人潜水飞行器。

背景技术

潜水飞行器作为一种可以跨越水、空两种介质的飞行器，在20世纪三十年代就引起了研究者的关注，但是受限于诸多技术条件，潜水飞行器的研制直到二十世纪结束都没有成功。2008年，美国国防部高级研究计划局着手研发一种可潜水飞行器，这是一种既能在空中飞行又能直接入水航行成为潜艇的运输工具，用于突袭地方海岸的特种作战行动。从2008年到2011年，美国国防部高级研究计划局在全球范围内广泛征集潜水飞机的可行方案。然而很少有机构或个人提交可行的方案，因此该计划被迫于2011年终止。近年来，美国计划研制“鸬鹚”潜射无人机。同时法国也在研制“埃利乌斯”潜水无人机。目前国内开展潜水飞行器研究的科研机构还比较少，当前阶段国内的研究主要集中在原理样机研制、测试和水、空过渡阶段关键技术验证两个方面。与国外相关研究相比，我国还需在概念设计、样机结构设计和介质转换方式等方面开展一系列的研究，以推进该特种飞行器的研发进程。“鸬鹚”潜射无人机从潜艇发射，在水下由火箭推动航行，飞出水中后启动涡扇发动机，执行完任务之后，落在水面上，等待回收。 “鸬鹚”潜射无人机不能二次进入水中，并从水中二次升空，每次任务的任务包线是从水中到空中单向不可逆的过程。国内北京航空航天大学的梁建宏团队研制成功了“鲣鸟”无人机，并进行了飞行实验。“鲣鸟”无人机可以实现水、空介质的多次转换。

潜水飞行器主要用于水下秘密侦察、清除水下障碍物、水面打击敌方飞行器，借助其跨介质飞行的特点，成为具有优良海上突防能力的先进武器平台，具有很高的研究价值。潜水飞行器要实现水、空两种介质下的航行，在空中飞行，需要提供足够升力及轻质结构；在水中航行，需要通过外形的设计，减小航行阻力，并设计抗水压结构。此外，飞行器还需要具备可以分别在空中、水中使用的动力系统，并利用飞控实现飞行器在空中飞行及水中航行的控制。因此，潜水飞行器的设计应综合权衡各种技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有飞行器在水、空两种介质中无法往复飞行的问题，提供一种三轴式四旋翼无人潜水飞行器。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种三轴式四旋翼无人潜水飞行器，包括机身箱体、第一至第三涵道、第一至第四螺旋桨、第一至第四防水电机、第一至第四固定架、舵叶、舵机、水泵、以及第一至第二单向阀；

所述机身箱体内设有空腔，且机身箱体的上端面上分别设有和所述空腔相联通的第一气孔、第二气孔，机身箱体的下端面上设有换水孔；

所述第一单向阀、第二单向阀分别对应设置在第一气孔、第二气孔中，其中，第一单向阀用于进气，第二单向阀用于出气；

所述水泵采用双向水泵，一端和外界联通，另一端和所述换水孔密闭联通；

所述舵机固定在所述机身箱体上，其输出轴和所述舵叶的转轴同轴固连，用于调整舵叶的转角；

所述第一至第三涵道均竖直设置，其中，第一涵道、第二涵道对称设置在机身箱体后端的两侧，第三涵道设置在机身箱体的前端、第一至第三涵道的外壁均和机身箱体固连；

所述第一至第四固定架均采用十字固定架，其中，第一固定架设置在所述第一涵道下端、四个末端均和第一涵道固连；第二固定架设置在第二涵道下端、四个末端均和第二涵道固连；第三固定架、第四固定架分别对应设置在第三涵道的上端、下端，且第三固定架、第四固定架的四个末端均和第三涵道固连；

所述第一至第四防水电机一一对应设置在所述第一至第四固定架的中心，且第一至第四螺旋桨的转轴和所述第一至第四防水电机的输出轴一一对应同轴固连，使得第一螺旋桨位于第一涵道内且和第一涵道同轴、第二螺旋桨位于第二涵道内且和第二涵道同轴、第三螺旋桨和第四螺旋桨均位于第三涵道内且均和第三涵道同轴；

所述第三涵道上设有指向机身箱体的泵喷通孔，用于实现无倾斜潜水状态下的航行。

作为本发明一种三轴式四旋翼无人潜水飞行器进一步的优化方案，所述第一至第三涵道均优先采用拉瓦尔管结构，以增加飞行器在空中飞行和水中航行的稳定性，减小噪音。

作为本发明一种三轴式四旋翼无人潜水飞行器进一步的优化方案，所述机身箱体从上到下逐渐变窄，以增加飞行器在水面的稳定性。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

与现有的潜水飞行器相比，本潜水飞行器采用三轴式的涵道四旋翼布局，其优点在于：涵道可增加空中飞行和水中航行的稳定性，并且可减小噪音；三轴式的外形设计可有效减小阻力；泵喷装置可实现无倾斜潜水状态下的航行。本三轴式四旋翼无人潜水飞行器采用了可充排水的机身箱体，箱体与水接触的面积比较大，当飞行器漂浮在水面上时，可提供一定的稳定性，再加上左右对称的两个涵道和机身头部的一个涵道，使飞行器具有一定抗浪性，适合复杂海况下的应用。此外，本三轴式四旋翼无人潜水飞行器，可以通过机身箱体的充水和排水，调节自身重量变化，使飞行器潜入水中或浮上水面，完成航行介质转换过程。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中，1-机身箱体，2-第一涵道，3-第二涵道，4-第三涵道，5-第一单向阀，6-第二单向阀，7-舵叶，8-第一固定架，9-第二固定架，10-第三固定架,11-第四固定架，12-第一螺旋桨，13-第二螺旋桨，14-第三螺旋桨，15-第四螺旋桨，16-泵喷通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。

如图1所示，本发明公开了一种三轴式四旋翼无人潜水飞行器，包括机身箱体、第一至第三涵道、第一至第四螺旋桨、第一至第四防水电机、第一至第四固定架、舵叶、舵机、水泵、以及第一至第二单向阀；

所述机身箱体内设有空腔，且机身箱体的上端面上分别设有和所述空腔相联通的第一气孔、第二气孔，机身箱体的下端面上设有换水孔；

所述第一单向阀、第二单向阀分别对应设置在第一气孔、第二气孔中，其中，第一单向阀用于进气，第二单向阀用于出气；

所述水泵采用双向水泵，一端和外界联通，另一端和所述换水孔密闭联通；

所述舵机固定在所述机身箱体上，其输出轴和所述舵叶的转轴同轴固连，用于调整舵叶的转角；

所述第一至第三涵道均竖直设置，其中，第一涵道、第二涵道对称设置在机身箱体后端的两侧，第三涵道设置在机身箱体的前端、第一至第三涵道的外壁均和机身箱体固连；

所述第一至第四固定架均采用十字固定架，其中，第一固定架设置在所述第一涵道下端、四个末端均和第一涵道固连；第二固定架设置在第二涵道下端、四个末端均和第二涵道固连；第三固定架、第四固定架分别对应设置在第三涵道的上端、下端，且第三固定架、第四固定架的四个末端均和第三涵道固连；

所述第一至第四防水电机一一对应设置在所述第一至第四固定架的中心，且第一至第四螺旋桨的转轴和所述第一至第四防水电机的输出轴一一对应同轴固连，使得第一螺旋桨位于第一涵道内且和第一涵道同轴、第二螺旋桨位于第二涵道内且和第二涵道同轴、第三螺旋桨和第四螺旋桨均位于第三涵道内且均和第三涵道同轴；

所述第三涵道上设有指向机身箱体的泵喷通孔，用于实现无倾斜潜水状态下的航行。

本发明中的第一至第三涵道均优先采用拉瓦尔管结构，能够增加飞行器在空中飞行和水中航行的稳定性，减小噪音。

所述机身箱体从上到下逐渐变窄，以增加飞行器在水面的稳定性，便于飞行器进出水、空两种介质。

本发明利用水泵充、排水，并通过控制水泵工作时间来控制机身箱体中的水位；机身箱体上部空腔安装有两个单向阀，两个单向阀左右分开与机身箱体顶端相连，通向外部，使得充、排水时机身箱体内部气压与外部大气压平衡；舵机通过控制舵叶的偏转来改变飞行器在水下航行的方向。

本发明中的第一至第三涵道，分别安装于机身箱体后方两侧及机身箱体前方，机身箱体后方两侧的涵道为没有开孔的普通涵道，机身箱体前方的涵道为带有泵喷通孔的特殊涵道。所述第一至第四螺旋桨均采用三叶浆，为飞行器在空中飞行和水中航行提供动力。

第一至第四螺旋桨在第一至第四防水电机的带动下旋转，机身左侧涵道中和机身头部涵道上方的螺旋桨顺时针方向旋转，机身右侧涵道中和机身头部涵道下方的螺旋桨逆时针方向旋转，既可以平衡反扭矩，又可以为飞行器在空中飞行提供足够的升力。当第一至第四螺旋桨的转速增大时，升力增大，飞行器上升；当第一至第四螺旋桨的转速减小时，升力减小，飞行器下降；当第一至第四螺旋桨的转速存在差值时，可实现飞行器在空中前后、左右飞行。可充排水机身箱体，当飞行器从空中落向水面后，第一至第四螺旋桨停止旋转，此时飞行器浮在水面上，机身箱体与水面接触面积比较大，可以增强其稳定性，使其在复杂海况下也有适用性。通过水泵正向工作将水注入机身箱体，飞行器重量增加、潜入水中。

当飞行器潜入水中后，控制第一、第二螺旋桨停止工作，同时控制第三、第四螺旋桨同方向旋转，此时通过舵机操控舵叶来平衡反扭矩，在第三、第四螺旋桨的作用下，上下方的水流不断涌入第三涵道，并从泵喷通孔喷出，为飞行器提供水下航行动力。

当飞行器需要从水中进入空气中时，第一至第四电机一起工作，类似于空中飞行状态，利用第一至第四螺旋桨的升力从水下航行靠近水面，使两个单向阀的露出水面，之后机身箱体内水泵开始反向工作，排出机身箱体中的水，使飞行器重量减小，浮出水面。在迅速排完机身箱体中的水后，飞行器在螺旋桨的升力下飞离水面。

本发明的三个涵道能够在空中和水中两种状态使用，增强飞行器的稳定性，并且可减小噪音。当飞行器浮在水面上时，左右对称的两个涵道和机身头部的一个涵道可以提供一定力矩，使飞行器漂浮更稳定，增强其抗浪性，使其在复杂海况下也有适用性。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种三轴式四旋翼无人潜水飞行器，其特征在于，包括机身箱体、第一至第三涵道、第一至第四螺旋桨、第一至第四防水电机、第一至第四固定架、舵叶、舵机、水泵、以及第一至第二单向阀；

所述机身箱体内设有空腔，且机身箱体的上端面上分别设有和所述空腔相联通的第一气孔、第二气孔，机身箱体的下端面上设有换水孔；

所述第一单向阀、第二单向阀分别对应设置在第一气孔、第二气孔中，其中，第一单向阀用于进气，第二单向阀用于出气；

所述水泵采用双向水泵，一端和外界联通，另一端和所述换水孔密闭联通；

所述舵机固定在所述机身箱体上，其输出轴和所述舵叶的转轴同轴固连，用于调整舵叶的转角；

所述第一至第三涵道均竖直设置，其中，第一涵道、第二涵道对称设置在机身箱体后端的两侧，第三涵道设置在机身箱体的前端、第一至第三涵道的外壁均和机身箱体固连；

所述第一至第四固定架均采用十字固定架，其中，第一固定架设置在所述第一涵道下端、四个末端均和第一涵道固连；第二固定架设置在第二涵道下端、四个末端均和第二涵道固连；第三固定架、第四固定架分别对应设置在第三涵道的上端、下端，且第三固定架、第四固定架的四个末端均和第三涵道固连；

所述第一至第四防水电机一一对应设置在所述第一至第四固定架的中心，且第一至第四螺旋桨的转轴和所述第一至第四防水电机的输出轴一一对应同轴固连，使得第一螺旋桨位于第一涵道内且和第一涵道同轴、第二螺旋桨位于第二涵道内且和第二涵道同轴、第三螺旋桨和第四螺旋桨均位于第三涵道内且均和第三涵道同轴；

所述第三涵道上设有指向机身箱体的泵喷通孔，用于实现无倾斜潜水状态下的航行。

2.根据权利要求1所述的三轴式四旋翼无人潜水飞行器，其特征在于，所述第一至第三涵道均采用拉瓦尔管结构，以增加飞行器在空中飞行和水中航行的稳定性，减小噪音。

3.根据权利要求1所述的三轴式四旋翼无人潜水飞行器，其特征在于，所述机身箱体从上到下逐渐变窄，以增加飞行器在水面的稳定性。

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