CN113665306A - 一种跨介质飞行器水空两用尾翼 - Google Patents

一种跨介质飞行器水空两用尾翼 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种跨介质飞行器水空两用尾翼，包括安装于水平尾翼下方的下垂尾；水平尾翼包括设置于连接板两端的左平尾和右平尾；左平尾上设置有可活动的左升降舵；右平尾上设置有可活动的右升降舵；下垂尾的底部后边缘设置有可活动的下垂尾方向舵；下垂尾的顶部后边缘安装有用于推进飞行器的水下推进器。本发明所设计的下垂尾位于水平尾翼的下方，让跨介质飞行器在水面时航行时，水平尾翼能够完全浸于水中，并且能够通过下垂尾上的方向舵来控制偏航方向，当跨介质飞行器在水下航行时，水下推进器只对飞行器产生较小的俯仰力矩，有利于保持飞行器在水下推进过程中的姿态稳定。

Description

一种跨介质飞行器水空两用尾翼
技术领域
本发明涉及跨介质飞行器技术领域，具体涉及一种跨介质飞行器水空两用尾翼。
背景技术
跨介质飞行器是一种新型机械，既能够在水下潜航也能够在空中飞行。目前，利用水面起降的水陆两栖飞机、水面飞机已处于成熟发展阶段，而具备水下潜航与反复出入水中能力的跨介质飞行器存在水下航行时的动力、出入水能力、密封性等方面的问题。目前国内外公开的关于跨介质飞行器构型的文献专利较少，仅限于现有技术，尚无成熟的跨介质飞行器研制成功。
相较于传统飞行器的单一动力来源，跨介质飞行器的水下推进是亟需攻关的技术难题。如美国发展的Naviator多旋翼跨介质飞行器，采用了空气螺旋桨作为水中推进手段，英国的仿鲣鸟跨介质飞行器采用传统螺旋桨推进，都普遍存在推进效率偏低的问题。传统的船用水下推进器在水下推进效率高，但是简单粗暴地安装在飞行器上时会导致飞行阻力增大，水下姿态控制能力降低等问题。例如美国的“鹰鳐”固定翼跨介质飞行器验证机，在位于机翼与尾翼之间的飞行器机身后部布置了水下推进器，节约了空间。但是该类布置在高雷诺数下航行时，尾翼处于螺旋桨的湍流尾流区中，进而影响舵面的力矩，从而降低水下姿态控制能力。因此如何在合理的位置布置高效的水下推进系统，是跨介质飞行器动力系统的面临的关键技术问题。
尾翼作为固定翼飞行器的重要组成部分，主要提供配平、稳定性以及操纵功能。根据所公开的资料来看，现有的跨介质飞行器验证样机的布局设计大多是从已经成熟的固定翼飞机发展而来，在其基础上增加水下推进等装置，因而保留了大量固定翼飞机的构型特征。例如美国的“鹰鳐”，采用传统的倒T形尾翼，“弹簧刀”潜射无人机采用了双垂直尾翼等，传统T形尾翼方向舵安装高度高于机身，因此不具备及浅水区域中的偏航操纵能力，而专门针对跨介质飞行器的任务需求与航行特点设计的尾翼构型尚属空白。跨介质飞行器在浅水区域中航行时，需要通过控制舵面等手段来实现偏航，这样的设计要求超出了传统的飞机尾翼的能力范畴。此外，跨介质飞行器在水下航行时，在一定深度下会受到暗流影响，此时作用在跨介质飞行器上的力和力矩较为复杂，这对飞行器水中姿态控制提出了很高的要求，因此需要巧妙的构型与性能优秀的控制舵面来控制飞行器的姿态。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种跨介质飞行器水空两用尾翼，解决了现缺乏能够跨介质的飞行器的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种跨介质飞行器水空两用尾翼，其包括安装于水平尾翼下方的下垂尾；
水平尾翼包括设置于连接板两端的左平尾和右平尾；左平尾上设置有可活动的左升降舵；右平尾上设置有可活动的右升降舵；
下垂尾的底部后边缘设置有可活动的下垂尾方向舵；下垂尾的顶部后边缘安装有用于推进飞行器的水下推进器。
本发明所设计的下垂尾位于水平尾翼的下方，让跨介质飞行器在水面时航行时，水平尾翼能够完全浸于水中，并且能够通过下垂尾上的方向舵来控制偏航方向，当跨介质飞行器在水下航行时，水下推进器只对飞行器产生较小的俯仰力矩，有利于保持飞行器在水下推进过程中的姿态稳定。
进一步地，下垂尾上安装有水下推进器整流罩，水下推进器整流罩位于水下推进器的电机底座处。
水下推进器整流罩能够对水下推进器推动的水流进行整流，让水下推进器推进效率更高，噪声更低。
进一步地，下垂尾采用单个下垂尾构型，且与水平尾翼固定连接。
下垂尾采用单个下垂尾构型用于减小飞行器前进时的阻力。
进一步地，下垂尾方向舵为水空两用方向舵，左升降舵和右升降舵均为水空两用升降舵。
下垂尾方向舵为水空两用方向舵，能够实现跨介质飞行器在水中和空中的推进以及方向调整；左升降舵和右升降舵均为水空两用升降舵，能够实现跨介质飞行器在水中和空中的的升降以及高度的调整。
进一步地，左升降舵位于左平尾的后边缘，右升降舵位于右平尾的后边缘。
左升降舵和右升降舵分别位于尾翼区的后边缘处，能够最大的节省动力，实现跨介质飞行器的方向调整。
进一步地，左升降舵与右升降舵到连接板之间的距离相同。
左升降舵与右升降舵到连接板之间的距离相同用于实现左升降舵与右升降舵之间的配合，有效的调整跨介质飞行器的前进方向。
进一步地，左升降舵和右升降舵的最大上偏偏转角度为32°，最大下偏偏转角度为32°。
进一步地，水下推进器整流罩与下垂尾之间通过铆钉连接。
水下推进器整流罩采用铆钉连接安装在下垂尾上，能够有效减少来流流经水下推进器非流线型时，电机底座产生的压差阻力。
进一步地，水下推进器距离水平尾翼的垂直距离不超过下垂尾自身高度的0.3倍。
本发明设计的水下推进器距离水平尾翼的垂直高度不超过下垂尾自身高度的0.3倍，能够让跨介质飞行器在水下航行时，水下推进器只对飞行器产生较小的俯仰力矩，有利于保持飞行器在水下推进过程中的姿态稳定。
本发明公开了一种跨介质飞行器水空两用尾翼，其有益效果为：
1、本发明采用的水下推进器为带有导流罩的螺旋桨，相比孤立螺旋桨，具有推进效率更高，噪声更低的优点。
2、本发明设计的水下推进器距离水平尾翼的垂直高度不超过下垂尾自身高度的0.3倍，让跨介质飞行器在水下航行时，水下推进器只对飞行器产生较小的俯仰力矩，有利于保持飞行器在水下推进过程中的姿态稳定；跨介质飞行器在水面航行时，整个螺旋桨位于机身吃水线以下，让跨介质飞行器具备了在水面航行的能力。
3、本发明设计的水平尾翼位于后机身上，相比传统飞行器的常规尾翼和T形尾翼的优势在于：①水平尾翼所产生的弯矩无需通过垂直尾翼传递给机身结构，有效减少了垂直尾翼的结构重量。②水平尾翼位于后机身上，避免了T型尾翼会遇到的深失速现象。③跨介质飞行器在水面时航行时水平尾翼完全浸于水中，可通过下垂尾上的方向舵来控制偏航方向，拥有传统尾翼布局所不具备的浅水区域中航向操纵能力；④跨介质飞行器在从水面到完全入水过程中，通过开启水下推进器配合水平尾翼上的升降舵，让跨介质飞行器加速潜入水中，完成介质跨越。
4、水下推进器前安装采用轻质复合材料制成的整流罩，采用铆钉连接安装在下垂尾上，能够有效减少来流流经水下推进器非流线型电机底座时产生的压差阻力。
附图说明
图1为一种跨介质飞行器水空两用尾翼的结构示意图。
图2为一种跨介质飞行器水空两用尾翼偏航状态下的操纵面示意图。
图3为一种跨介质飞行器水空两用尾翼上浮状态下的操纵面示意图。
图4为一种跨介质飞行器水空两用尾翼滚转状态下的操纵面示意图。
图5为一种跨介质飞行器水空两用尾翼下潜状态下的操纵面示意图。
其中，1、水平尾翼；2、左平尾；3、下垂尾；4、下垂尾方向舵；5、水下推进器；6、水下推进器整流罩；7、右升降舵；8、连接板；9、左升降舵；10、右平尾。
具体实施方式
面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的实施例一，参考图1，本实施例的一种跨介质飞行器水空两用尾翼，包括水平尾翼1、左升降舵9、下垂尾3、下垂尾方向舵4、水下推进器5、水下推进器整流罩6、右升降舵7。
水平尾翼位1包括设置于连接板8两端的左平尾和右平尾，左平尾上安装有左升降舵9；右平尾上安装有右升降舵7。
左升降舵9位于左平尾的后边缘，右升降舵7位于右平尾的后边缘，左升降舵9与右升降舵7到连接板8之间的距离相同。
左升降舵9和右升降舵7分别位于尾翼区的后边缘处，能够最大的节省动力，实现跨介质飞行器的方向调整，左升降舵9与右升降舵7到连接板8之间的距离相同用于实现左升降舵9与右升降舵7之间的配合，有效的调整跨介质飞行器的前进方向。
左升降舵9和右升降舵7的最大上偏偏转角度为32°，最大下偏偏转角度为32°。
水平尾翼位1安装于下垂尾3顶部，水平尾翼1安装高度大致与机身持平，水平尾翼1与下垂尾3为跨介质飞行器在不同介质中的共用操纵面。
水平尾翼1与水下推进器5采用螺纹连接，整流罩6安装在水下推进器5的电机底座处，水下推进器5与下垂尾3采用铆钉连接。
水下推进器5采用铆钉连接安装在下垂尾3上，能够有效减少来流流经水下推进器非流线型时，水下推进器5的电机底座产生的压差阻力。
水下推进器整流罩6能够对水下推进器5推动的水流进行整流，让水下推进器5推进效率更高，噪声更低。
水下推进器5距离水平尾翼1的垂直距离不超过下垂尾3高度的0.3倍。
水下推进器5距离水平尾翼1的垂直高度不超过水平尾翼1翼型自身高度的0.3倍，能够让跨介质飞行器在水下航行时，水下推进器5只对飞行器产生较小的俯仰力矩，有利于保持飞行器在水下推进过程中的姿态稳定。
下垂尾3的底部后边缘设置有可活动的下垂尾方向舵4；下垂尾的顶部后边缘安装有水下推进器5，下垂尾上安装有水下推进器整流罩6，水下推进器整流罩6安装于水下推进器5的电机底座处。
下垂尾3采用单个下垂尾构型，且与水平尾翼1固定连接，下垂尾3采用单个下垂尾构型用于减小飞行器前进时的阻力。
下垂尾方向舵4为水空两用方向舵，左升降舵9和右升降舵7均为水空两用升降舵。
下垂尾方向舵4为水空两用方向舵，能够实现跨介质飞行器在水中和空中的推进以及方向调整；左升降舵9和右升降舵7均为水空两用升降舵，能够实现跨介质飞行器在水中和空中的的升降以及高度的调整。
下垂尾3位于水平尾翼1的下方，让跨介质飞行器在水面时航行时，水平尾翼1能够完全浸于水中，并且能够通过下垂尾3上的下垂尾方向舵4来控制偏航方向，当跨介质飞行器在水下航行时，水下推进器5只对飞行器产生较小的俯仰力矩，有利于保持飞行器在水下推进过程中的姿态稳定。
当跨介质飞行器处于空中飞行状态时，操纵方式与传统固定翼飞机相同，在此不再赘述。
参考图2，当跨介质飞行器处于水下航行状态时，通过水下推进器5进行水下推进；操纵下垂尾方向舵4，产生偏航力矩从而实现水下航向控制。
参考图3，同步操纵左升降舵9、右升降舵7翻转产生俯仰力矩从而实现飞行器在水下的纵向控制。
参考图4，差动操纵左升降舵9、右升降舵7翻转产生滚转力矩从而实现飞行器在水下的横向控制。
参考图5，当跨介质飞行器处于从漂浮在水面到完全入水的介质跨越过程中时，同步操纵左升降舵9、右升降舵7上偏，开启水下推进器产生向前的推力，相对飞行器浮心产生倾覆力矩，飞行器低头加速入水。
本实施例的工作原理为：
跨介质飞行器为水空两用飞行器，当跨介质飞行器处于空中飞行状态时，操纵方式与传统固定翼飞机相同，再此不再赘述。
当跨介质飞行器处于水下航行状态时，启动水下推进器5，水下推进器5旋转在水中产生推动力，推动跨介质飞行器前进，通过操纵下垂尾方向舵4，产生偏航力矩实现跨介质飞行器在水下的航向控制，通过同步操纵左升降舵9和右升降舵7，将左升降舵9和右升降舵7翻转至目标角度，产生俯仰力矩实现飞行器在水下的纵向控制；通过差动操纵左升降舵9和右升降舵7翻转，产生滚转力矩实现飞行器在水下的横向控制，从而将飞行器推进至目标位置进行作业。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种跨介质飞行器水空两用尾翼，其特征在于：包括安装于水平尾翼（1）下方的下垂尾（3）；
所述水平尾翼（1）包括设置于连接板（8）两端的左平尾（2）和右平尾（10）；所述左平尾（2）上设置有可活动的左升降舵（9）；所述右平尾（10）上设置有可活动的右升降舵（7）；
所述下垂尾（3）的底部后边缘设置有可活动的下垂尾方向舵（4）；所述下垂尾（3）的顶部后边缘安装有用于推进飞行器的水下推进器（5）。
2.根据权利要求1所述的跨介质飞行器水空两用尾翼，其特征在于：所述下垂尾（3）上安装有水下推进器整流罩（6），所述水下推进器整流罩（6）位于水下推进器（5）的电机底座处。
3.根据权利要求2所述的跨介质飞行器水空两用尾翼，其特征在于：所述下垂尾（3）采用单个下垂尾构型，且与水平尾翼（1）固定连接。
4.根据权利要求1所述的跨介质飞行器水空两用尾翼，其特征在于：所述下垂尾方向舵（4）为水空两用方向舵，所述左升降舵（9）和右升降舵（7）均为水空两用升降舵。
5.根据权利要求1所述的跨介质飞行器水空两用尾翼，其特征在于：所述左升降舵（9）位于左平尾（2）的后边缘，所述右升降舵（7）位于右平尾（10）的后边缘。
6.根据权利要求5所述的跨介质飞行器水空两用尾翼，其特征在于：所述左升降舵（9）与右升降舵（7）到所述连接板（8）之间的距离相同。
7.根据权利要求6所述的跨介质飞行器水空两用尾翼，其特征在于：所述左升降舵（9）和右升降舵（7）的最大上偏偏转角度为32°，最大下偏偏转角度为32°。
8.根据权利要求1所述的跨介质飞行器水空两用尾翼，其特征在于：所述水下推进器整流罩（6）与下垂尾（3）之间通过铆钉连接。
9.根据权利要求8所述的跨介质飞行器水空两用尾翼，其特征在于：所述水下推进器（5）距离水平尾翼（1）的垂直距离不超过所述下垂尾（3）自身高度的0.3倍。
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