CN113173042A - 一种快速入水的跨介质飞行器及其入水控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速入水的跨介质飞行器及其入水控制方法，解决固定翼跨介质飞行器结构复杂和机体重量大的技术问题，本发明提供的快速入水的跨介质飞行器，整机多旋翼结构，旋翼的数量N为偶数，且N≥4，对应的动力系统包括n*N个动力单元，n为正整数，各旋翼上均安装n个动力单元，动力单元包括螺旋桨和用于驱动螺旋桨的电机，动力系统中各电机的总推力F≥1.5G，G为跨介质飞行器的重力，整机密度大于待进入水域的水密度，保证顺利入水和潜航。本发明的跨介质飞行器采用多旋翼结构，动力系统工作时不会产生自旋扭矩，并且能够驱动该跨介质飞行器进行稳定的空中飞行、潜航和介质转换，有效提高对两种工作环境的兼容性，能够快速入水。
Description
技术领域
本申请属于无人机技术领域，具体涉及一种快速入水的跨介质飞行器及其入水控制方法。
背景技术
跨介质飞行器将空中飞行器、水面航行器和水下潜航器三种无人工作系统集成一体，在单一平台上就可以同时具备空中飞行、水面航行和水下潜航三种功能。该平台不仅机动灵活，也能更好地适应各种环境条件，具有一定通用性和隐蔽性。
跨介质飞行器突破了传统单一介质无人系统平台的局限性，它既有水面飞行器的飞行特点，又有水下航行器的潜行特点，因而具备极佳的环境适应性。同时也能够有效利用各种探测设备的盲区，快速、隐蔽地突破目标防御系统，高效便捷地执行远程侦察、打击等任务。
跨介质飞行器一直以来都是人类热衷研究的新型飞行器。目前的跨介质飞行器入水步骤繁琐、对飞行器冲击力大。一般来讲传统的入水方式有两种：1、水面变构式。2、坠落入水式。
水面变构式：在空气中，飞机的整体密度小于水。首先在水面滑行降落，然后关闭空中动力系统，打开水中动力系统或者密度控制系统，使飞机沉入水中。这种方式的优点是：1、有水上飞机的起降作为技术基础，技术难度不高。2、滑行降落对机身冲击力较小。缺点是：1、降落所需要的水域较大，同时该水域不能有过大的风浪。2、降落步骤繁琐，需要的时间很长。
坠落入水式：飞机的整体密度大于水。飞机在离水面有一定高度的时候，关闭动力，让飞机坠入水中。由于其密度较高，飞机会直接沉入水中。这种方式的优点有:1、对水域的要求小。2、入水迅速。缺点有：对飞机冲击力非常大。
目前还没有一种较好的方案既能缩短入水时间，又不对机体强度有过高要求。即使采用了上述两种方案，也鲜有飞行器真正实现稳定的跨介质飞行。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种快速入水的跨介质飞行器及其入水控制方法，采用多旋翼结构，利用多旋翼无人机的运动特性，配合整机密度设计和动力设计，能够快速入水。
实现本发明目的所采用的技术方案为，一种快速入水的跨介质飞行器，所述跨介质飞行器为多旋翼结构，所述旋翼的数量N为偶数，且N≥4；所述跨介质飞行器的动力系统包括n*N个动力单元，n为正整数，各所述旋翼上均安装n个所述动力单元，所述动力单元包括螺旋桨和用于驱动螺旋桨的电机，所述动力系统中各电机的总推力F≥1.5G，G为所述跨介质飞行器的重力；所述跨介质飞行器的整体密度大于ρ0，ρ0为待进入水域的水密度。
可选的，所述螺旋桨的直径D和螺距p满足：D1≤D≤D2，p1≤p≤p2，其中D1和p1分别为相同推力、相同流体介质密度和相同螺旋桨转速的条件下，船用螺旋桨的对应直径和对应螺距；D2和p2分别为相同推力、相同流体介质密度和相同螺旋桨转速的条件下，飞机用螺旋桨的对应直径和对应螺距。
可选的，所述螺旋桨的直径D为6～8英寸。
可选的，所述螺旋桨的螺距p＜D。
可选的，所述电机为大扭矩无刷电机，所述大扭矩无刷电机的扭矩范围是0.1～10N·m。
可选的，所述螺旋桨的桨叶具有翼梢小翼，所述翼梢小翼的倾斜角为10°～30°，所述翼梢小翼的安装角为-40°～0°。
可选的，所述跨介质飞行器的信号电线路以及电路板上均包覆有密封胶。
可选的，所述跨介质飞行器的动力电线路的导线规格为18AWG以上；所述动力电线路的接头处涂覆有保护层。
可选的，所述跨介质飞行器的机械运动部件的缝隙中涂覆有润滑脂。
基于同样的发明构思，本发明还对应提供了一种应用于上述的快速入水的跨介质飞行器的入水控制方法，包括如下步骤：通过所述动力系统控制所述跨介质飞行器在水面上方悬停；控制所述动力系统的动力减小，以使所述跨介质飞行器的高度降低，直至所述跨介质飞行器入水。
由上述技术方案可知，本发明提供的快速入水的跨介质飞行器，整机多旋翼结构，旋翼的数量N为偶数，且N≥4，保证动力系统工作时不会产生自旋扭矩。对应的动力系统包括n*N个动力单元，n为正整数，各旋翼上均安装n个动力单元，动力单元包括螺旋桨和用于驱动螺旋桨的电机，动力系统中各电机的总推力F≥1.5G，G为跨介质飞行器的重力，能够驱动该跨介质飞行器进行稳定的空中飞行、潜航和介质转换。为了保证顺利入水和潜航，本发明的跨介质飞行器的整机密度大于待进入水域的水密度。
本发明将多旋翼无人机应用于跨介质飞行领域，多旋翼无人机属于目前较为成熟的技术，实施难度小，由于多旋翼无人机可悬停于流体介质中，并且飞行过程全程可控，因此可采用悬停入水方式。即本发明提供的快速入水的跨介质飞行器可采用如下入水控制方法，通过动力系统控制跨介质飞行器在水面上方悬停；控制动力系统的动力减小，以使跨介质飞行器的高度降低，直至跨介质飞行器入水。
基于本发明提供的快速入水的跨介质飞行器，动力系统中各电机的总推力大于1.5倍跨介质飞行器的重力，且整机密度大于水，动力系统可满足在水中和空气中分别都能提供稳定的动力和控制力矩，动力系统属于多动力结构，对于电机的控制可以采用多动力差速式控制方案。多动力差动式控制方案由于所有的电机工作状态都是类似的，因此在调速范围内具备足够且可控的控制力矩，在水中和空中都可以，多动力差动式控制方案的控制力矩对飞行速度没有要求。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明提供的快速入水的跨介质飞行器，采用多旋翼结构，规避固定翼布局的固有矛盾，有效提高了跨介质飞行器对两种工作环境的兼容性。
2、本发明提供的入水控制方法，采用悬停入水方式，降落过程全程可控，且入水速度可快可慢，即入水速度可调。
3、本发明提供的入水控制方法，采用悬停入水方式，控制动力系统的动力减小，以使跨介质飞行器的高度降低直至入水，相比于坠落入水，悬停入水的入水过程对跨介质飞行器的冲击力小。
附图说明
图1为本发明实施例中快速入水的跨介质飞行器的结构示意图；
图2为图1的快速入水的跨介质飞行器中动力系统桨叶的结构示意图；
附图标记说明：1-旋翼，2-螺旋桨，3-电机，4-桨叶，41-翼梢小翼。
具体实施方式
为了使本申请所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本申请，下面结合附图，通过具体实施例对本申请技术方案作详细描述。
由于水的密度是空气的约800倍，所以飞行器在水中的浮力是空气中的800倍，且同样的速度下水中的阻力和升力都是空气中的约800倍。因此一般来说跨介质飞行器在水中的速度相对于在空中的速度是很慢的。这个速度差就造成了入水的困难。而目前常用的水面变构式和坠落入水式跨介质飞行器，结构复杂、机体重量大，降低了可靠性，难以实用化量产。
为了解决现有技术的上述问题，本发明提出一种新的设计思路，将多旋翼无人机应用于跨介质飞行领域，多旋翼无人机属于目前较为成熟的技术，实施难度小，由于多旋翼无人机可悬停于流体介质中，并且飞行过程全程可控，因此可采用悬停入水方式。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细介绍：
实施例1：
本实施例提供一种快速入水的跨介质飞行器，参见图1，跨介质飞行器为多旋翼结构，旋翼1的数量N为偶数，且N≥4，例如四旋翼、六旋翼、八旋翼等。跨介质飞行器的动力系统包括n*N个动力单元，n为正整数，各旋翼1上均安装n个动力单元，例如六旋翼无人机，每个旋翼均配置双动力，则动力单元共12个。动力单元包括螺旋桨2和用于驱动螺旋桨2的电机3，动力系统中各电机的总推力F≥1.5G，G为跨介质飞行器的重力，上述设计保证动力系统工作时不会产生自旋扭矩，并且能够驱动该跨介质飞行器进行稳定的空中飞行、潜航和介质转换。该跨介质飞行器的整体密度大于ρ0，ρ0为待进入水域的水密度，保证顺利入水和潜航。
本实施例以最为通用的四旋翼结构为例进行说明，对应的四个旋翼1的自由端各安装一个动力单元。动力单元包括螺旋桨和用于驱动螺旋桨的电机，螺旋桨2的直径D和螺距p满足：D1≤D≤D2，p1≤p≤p2，其中D1和p1分别为相同推力、相同流体介质密度和相同螺旋桨转速的条件下，船用螺旋桨的对应直径和对应螺距；D2和p2分别为相同推力、相同流体介质密度和相同螺旋桨转速的条件下，飞机用螺旋桨的对应直径和对应螺距。这样可以使这套动力在水中和空气中都能提供稳定的动力输出。在水中电机输出高扭矩，转速较低；在空气中电机输出低扭矩，转速较高。
具体的，螺旋桨2的直径D为6～8英寸，螺旋桨的螺距p＜D，本实施例中螺距p为3.8～4.0英寸。整机对角轴距在250～550mm之间，起飞重量为0.5～2Kg。以起飞重量1.4Kg为例，本实施例提供的跨介质飞行器的对角轴距仅450mm，而同重量的固定翼无人机通常翼展超过600mm，因此相比于同样重量的固定翼式跨介质飞行器，整机尺寸较小。电机3采用大扭矩电机，其输出的扭矩范围是0.1～10N·m，本实施例中电机的扭矩在0.5～10N·m范围内，优选在飞机用螺旋桨对应电机的输出扭矩的两倍以上，例如对于一确定参数的飞机用螺旋桨，与之匹配的电机的扭矩为a，则本实施例中电机的扭矩应大于等于2a，具体数值根据实际使用需求而确定。对于电机的选型，本实施例具体采用无刷电机，大扭矩无刷电机能耐受较大电流，同时适应水与空气两种介质。且在水中工作时，电机可直接通过水介质散热，效率更高，也能降低损坏概率。
参见图2，本实施例中，螺旋桨2的桨叶4具有翼梢小翼41，翼梢小翼41与桨叶4呈角度设置，翼梢小翼41的具体参数如下：a)倾斜角为10°～30°，翼梢小翼的弦平面与地平面之间的夹角定义为倾斜角，本实施例中倾斜角度取15°～20°；b)安装角为-40°～0°，翼梢小翼的安装角是指其根弦与机翼翼尖弦之间的夹角。其安装角一般为负值.即小翼的前缘向外，也称外撇角，本实施例中安装角度取-20°～0°。采用带有翼梢小翼41的小直径螺旋桨，改善了气动性能和动力学特性，能有效减少水中潜行时产生的诱导阻力，提高了效率；并减少了扰流对螺旋桨翼梢的影响，提高了控制性能以及飞行器在水下航行和跨介质过程中的稳定性。
由于本发明提供的跨介质飞行器需要在水下航行，防水处理绝对不能忽视。对于外形封闭的潜航器来说，通常对机体做增压处理，来抵抗水下的压力，同时也能具有良好的密封性能防止渗水来保证电子设备的安全。而空中飞行器一般只有一层薄蒙皮来维持气动外形，并不能承受水下压力。同时很多仪器设备不能直接暴露在水下环境中，防水处理将会是一大难题。一般的解决方式是加装密封外壳，但又带来了额外重量，不利于空中飞行。
本实施例中，为了权衡防水性能以及防水措施所带来的其他麻烦，采用物理隔绝的方法，主要处理电路防水以及机械运动部件的防水。
全机电路中主要分为电流较小的信号电和电流较大的动力电，涉及信号电的电元件主要为信号电线路以及电路板，涉及动力电的电元件主要为动力电线路以及动力元件。本实施例中，跨介质飞行器的信号电线路以及电路板上均包覆有密封胶。跨介质飞行器的动力电线路的导线规格为18AWG以上；动力电线路的接头处涂覆有保护层。跨介质飞行器的机械运动部件的缝隙中涂覆有润滑脂。
具体的，对于信号电，所有导线全部用液态硅胶密封后冷凝固化，形成一层致密的保护面。硅胶是一种高活性吸附材料，属非晶态物质，其化学分子式为mSiO2·nH2O。除强碱、氢氟酸外不与任何物质发生反应，不溶于水和任何溶剂，无毒无味，化学性质稳定。各种型号的硅胶因其制造方法不同而形成不同的微孔结构。硅胶的化学组份和物理结构，决定了它具有许多其他同类材料难以取代的特点:吸附性能高、热稳定性好、化学性质稳定、有较高的机械强度等。因此，作为密封材料能够发挥较为良好的隔绝防护以及稳定性的效果。硅胶是单组分胶水，储存时为液态，可在常温下涂覆，制备时，将硅胶直接涂覆于电路组件的信号电导线的外表面，硅胶吸收空气中的水蒸气凝固，形成一层致密的防水密封膜。
对于所有的电路板，如飞行控制芯片和电子调速器等，也均使用硅胶凝固密封，如此在重量和防水性之间权衡了一个折中方案。电路板的表体具有很多暴露的导线金属线头，在通过硅胶进行涂覆之前需要测试电路板的导电性能是否正常，然后将硅胶均匀涂覆于电路板的外表面，硅胶凝固后应当再次测试电路板能否正常工作，若正常则可投入安装使用，若发生短路或者电路断通，则需要重新检查电路板的局部通电情况。
对于动力电，由于其电流大、电压高，只要采用了电阻小的高质量导线，即使接头完全暴露在水中，电流也会因为水流电阻较大而只从导线中流过，因此只对动力电的接头部分做简单密封处理即可。20℃时，铜的电阻率约为1.85*10-8欧米，而即使是海水，电阻率也高达3.3*104欧米。因此只要是根据电流选了合适线规的导线，即使接头完全暴露在水中，也都是没有问题的。本实施例中，整机最小的一条供电线路的电流为3A，所以该条供电线路使用18AWG的导线，对应的电阻值约21Ω/Km。为保证无人机正常使用，整机动力电导线规格在18AWG以上，即动力电导线的AWG数值≤18，数字越小线规越高，导线电阻越低。
由于本发明的跨介质飞行器工作时需要与水接触，例如在海水中作业，动力电线路不可避免有一部分暴露在海水中，则需要考虑海水对导线、接插件的电化学腐蚀。本实施例中，接头、接插件等暴露于外的导线采用镀金的方式来避免锈蚀，当然也可采用上述的硅胶凝固密封。
对于机上的其他机械运动部件，如舵机等，在其齿轮缝隙涂满具有优良防水性能的润滑脂即可，本实施例中采用锂基润滑脂，具体是含有12-羟基硬脂酸的锂基润滑脂。12-羟基硬脂酸对矿油或合成油的稠化能力都比较强，因此，锂基润滑脂与钙钠基润滑脂相比，稠化剂量可以降低约1/3，而使用寿命可以延长一倍以上，加有抗氧化剂、防锈剂和极压剂之后，就成为多效长寿命通用润滑脂，可以代替钙基润滑脂和钠基润滑脂，通用锂基润滑脂(GB7324-1994)按稠度等级分为1#、2#、3#。12-羟基硬脂酸具有良好的抗水性、机械安定性、防腐蚀性和氧化安定性，应用于本发明的跨介质飞行器的涂覆中，具有良好的防腐蚀性能。12-羟基硬脂酸极强的疏水性，能有效保护舵机不受水流影响，正常工作。
除舵机外，锂基润滑脂还可涂刷在所述机械组件的连接构件上所述连接构件包含连接跨介质飞行器上个零部件的连接件，具体包含但不限于螺栓、以及卡接构件等容易发生锈蚀的金属制品。
本实施例的快速入水的跨介质飞行器中，其他未详述结构均可参照现有技术的相关公开，本发明不做展开说明。
实施例2：
基于同样的发明构思，本实施例提供一种应用于上述快速入水的跨介质飞行器的入水控制方法，具体包括如下步骤：通过动力系统控制跨介质飞行器在水面上方悬停；控制动力系统的动力减小，以使跨介质飞行器的高度降低，直至跨介质飞行器入水，入水时减速以降低入水冲击力，飞机入水后就可以通过调节动力进行水下操纵。
在动力系统的控制方式上，基础的控制方案只有三种，分别是陀螺进动式、多动力差速式和舵面式。目前所有的飞机、船、潜航器的控制方案都是使用这三种方式，或者是几种方式的组合。陀螺进动式常用于直升机，表现为周期变距。多动力差速式常用于多旋翼飞行器。舵面式常用于固定翼飞机和船、潜航器，表现为舵面。由于飞机螺旋桨在水和空气中转速相差极大，且在水中转速非常低，因此不能使用陀螺进动式，因为控制力矩受转速影响很大。可以采用舵面式和多动力差动式。舵面式在水中和空中，当飞机超过一定的运行速度后，就可以提供稳定的操纵力矩。而多动力差动式由于所有的电机工作状态都是类似的，因此在调速范围内具备足够且可控的控制力矩，在水中和空中都可以。
由于多动力差动式的结构相对简单，且控制力矩对飞行速度没有要求，因此选用多动力差动式。多旋翼无人机的多动力差动式控制方案为成熟的现有技术，具体内容可参考现有技术的相关公开，本发明不做展开说明。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种快速入水的跨介质飞行器，其特征在于：所述跨介质飞行器为多旋翼结构，所述旋翼的数量N为偶数，且N≥4；所述跨介质飞行器的动力系统包括n*N个动力单元，n为正整数，各所述旋翼上均安装n个所述动力单元，所述动力单元包括螺旋桨和用于驱动螺旋桨的电机，所述动力系统中各电机的总推力F≥1.5G，G为所述跨介质飞行器的重力；所述跨介质飞行器的整体密度大于ρ0，ρ0为待进入水域的水密度。
2.如权利要求1所述的快速入水的跨介质飞行器，其特征在于：所述螺旋桨的直径D和螺距p满足：D1≤D≤D2，p1≤p≤p2，其中D1和p1分别为相同推力、相同流体介质密度和相同螺旋桨转速的条件下，船用螺旋桨的对应直径和对应螺距；D2和p2分别为相同推力、相同流体介质密度和相同螺旋桨转速的条件下，飞机用螺旋桨的对应直径和对应螺距。
3.如权利要求2所述的快速入水的跨介质飞行器，其特征在于：所述螺旋桨的直径D为6～8英寸。
4.如权利要求2所述的快速入水的跨介质飞行器，其特征在于：所述螺旋桨的螺距p＜D。
5.如权利要求1所述的快速入水的跨介质飞行器，其特征在于：所述电机为大扭矩无刷电机，所述大扭矩无刷电机的扭矩范围是0.1～10N·m。
6.如权利要求1-5中任一项所述的快速入水的跨介质飞行器，其特征在于：所述螺旋桨的桨叶具有翼梢小翼，所述翼梢小翼的倾斜角为10°～30°，所述翼梢小翼的安装角为-40°～0°。
7.如权利要求1-5中任一项所述的快速入水的跨介质飞行器，其特征在于：所述跨介质飞行器的信号电线路以及电路板上均包覆有密封胶。
8.如权利要求1-5中任一项所述的快速入水的跨介质飞行器，其特征在于：所述跨介质飞行器的动力电线路的导线规格为18AWG以上；所述动力电线路的接头处涂覆有保护层。
9.如权利要求1-5中任一项所述的快速入水的跨介质飞行器，其特征在于：所述跨介质飞行器的机械运动部件的缝隙中涂覆有润滑脂。
10.一种应用于权利要求1-9中任一项所述的快速入水的跨介质飞行器的入水控制方法，其特征在于，包括如下步骤：通过所述动力系统控制所述跨介质飞行器在水面上方悬停；控制所述动力系统的动力减小，以使所述跨介质飞行器的高度降低，直至所述跨介质飞行器入水。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202110656462.9A CN113173042A (zh) | 2021-06-11 | 2021-06-11 | 一种快速入水的跨介质飞行器及其入水控制方法 |
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| CN113173042A true CN113173042A (zh) | 2021-07-27 |
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ID=76928013
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|---|---|
| CN (1) | CN113173042A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113895189A (zh) * | 2021-09-29 | 2022-01-07 | 中国人民解放军空军航空大学 | 无刷电机-涵道风扇式水空跨介质飞行潜航器 |
-
2021
- 2021-06-11 CN CN202110656462.9A patent/CN113173042A/zh not_active Withdrawn
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