CN113928068A - 一种水下空中跨域航行器及其跨域航行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及跨域航行器技术领域，尤其是一种水下空中跨域航行器及其跨域航行方法。水下空中跨域航行器包括平台主体，所述平台主体前部左右两侧对称设置跨介质推进器，平台主体中后部中间位置设置空气螺旋桨组件；所述跨介质推进器包括第一电机座，第一电机座内分上下设置第一电机和第二电机，第一电机的驱动端向上伸出并连接第一空气螺旋桨，第二电机的驱动端向下伸出并连接水下螺旋桨，所述第一电机座上连接倾转机构，倾转机构能够带动第一电机座倾转姿态。本发明能够实现航行器的水下空中跨域航行，通过倾转机构能够实现旋翼模式和固定翼模式航行的切换，旋翼模式时能够垂直起降，固定翼模式时能高速高效飞行。
Description
技术领域
本发明涉及跨域航行器技术领域，尤其是一种水下空中跨域航行器及其跨域航行方法。
背景技术
水下空中跨域航行器是能够在水下潜航与空中飞行的新概念航行器，在军用和民用方面都有广阔的应用前景。在军用方面，由于它兼具飞行器的快速性和潜航器的隐蔽性，可获取水面、水下及空中的敌我信息，可针对敌方作战体系弱点，综合利用水下和空中的优势手段，进行快速高效突防、打击或多目标作战任务。在民用方面，由于它兼有潜航器的水下作业能力和飞行器的快速巡航能力，可一举实现救援、勘探和工程施工等方面“锁定目标-快速到达-实施作业-安全返回”的一系列动作，具有实施效率高、辅助装备少和实施成本低的优点。然而，由于航行器既要在水下潜航又要在空中飞行，而水与空气的物性参数相差较大，使得针对水下-空中域的两栖航行器设计研制难度较大。
目前，能够自主实现多次跨域运动的水下-空中的跨域航行器，按照起飞方式和空中飞行状态主要有A、B、C三种方案：A方案为水面垂直起飞+旋翼飞行；B方案为水面垂直起飞+旋翼飞行+固定翼飞行；C方案为水面滑跑+固定翼飞行。A方案一般采用四个空气螺旋桨作为空中推进器和水下推进器，也可再单独布置水下推进器，由于采用旋翼飞行模式，旋翼的水平分力为驱动力，空中飞行速度低、效率较低、作业范围也较小；B方案一般采用两套空中飞行器，常用方案为垂直起飞四个推进器，前飞一个推进器，总体布置难度大、设备利用率低、水下航行阻力大；C方案一般采用一个推进器，对航行器的结构强度、动力要求高，滑跑过程状态复杂，技术风险大，不易实现。
发明内容
本申请针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种水下空中跨域航行器，能够实现航行器的水下空中跨域航行，通过倾转机构能够实现旋翼模式和固定翼模式航行的切换，旋翼模式时能够垂直起降，固定翼模式时能高速高效飞行。
本发明所采用的技术方案如下：
一种水下空中跨域航行器，包括平台主体，所述平台主体前部左右两侧对称设置跨介质推进器，平台主体中后部中间位置设置空气螺旋桨组件；所述平台主体后部中间位置竖直设置垂直尾翼，垂直尾翼后端连接方向舵，垂直尾翼上端水平设置水平尾翼，水平尾翼后端连接升降舵；所述平台主体左右两侧对称设置飞行翼，飞行翼后端设置副翼舵；所述跨介质推进器包括第一电机座，第一电机座内分上下设置第一电机和第二电机，第一电机的驱动端向上伸出并连接第一空气螺旋桨，第二电机的驱动端向下伸出并连接水下螺旋桨，所述第一电机座上连接倾转机构，倾转机构能够带动第一电机座倾转姿态；所述空气螺旋桨组件包括第三电机座，第三电机座上端设置第三电机，第三电机驱动端连接第二空气螺旋桨；所述平台主体内设置控制系统，控制系统包括飞行控制器，所述飞行控制器上电连接三个第一电调，三个第一电调分别连接两个第一电机和一个第三电机，飞行控制器电连接两个第二电调，两个第二电调分别连接两个第二电机。
进一步的，倾转机构包括碳杆，碳杆一端连接平台主体侧面，碳杆另一端连接倾转舵机座，倾转舵机座内通过轴承支撑连接倾转舵机，倾转舵机驱动端连接第一电机座，倾转舵机能够带动第一电机座旋转，调整位置状态，飞行控制器上电连接两个倾转舵机。
进一步的，平台主体中间位置设置水泵和压载水舱，水泵取水口设置在平台主体外侧壁上，水泵出水口连接压载水舱，飞行控制器上电连接水泵，飞行控制器上电连接水泵。
进一步的，飞行控制器电连接数传，通过数传将数据发送给监控软件。
进一步的，飞行控制器上电连接两个副翼舵，飞行控制器上电连接方向舵和升降舵。
进一步的，控制系统还包括电池，电池为控制系统供电。
一种水下空中跨域航行器的跨域航行方法，包括如下步骤：
(1)水面起飞：倾转机构使跨介质推进器垂直向上，水下空中跨域航行器以旋翼模式在水面垂直起飞，通过调节第一空气螺旋桨和第二空气螺旋桨的转速，控制副翼舵、升降舵和方向舵即可实现航行器的起飞与机动飞行动作；
(2)空中飞行：水下空中跨域航行器达到一定高度和前飞速度后，跨介质推进器倾转进入固定翼模式，使水下空中跨域航行器高速高效水平飞行，此时跨介质推进器处于水平位置，跨介质推进器的第一电机驱动第一空气螺旋桨转动，下部的第二电机停止工作，对应的水下螺旋桨都处于随动状态，以减小在水平飞行时的阻力；此时两个第一空气螺旋桨都产生向前的拉力，通过控制副翼舵、升降舵和方向舵，进而实现对航行器飞行姿态的控制，实现航行器直航、俯仰、偏航等动作；另外，通过两个第一空气螺旋桨的差动，也可实现航行器的偏航动作；
(3)降落潜水：两个第一空气螺旋桨同步降低转速，航行器降到一定高度后调节倾转机构使跨介质推进器缓慢倾转至垂直状态，同时尾部空气螺旋桨组件启动工作产生垂直向上拉力，采用多旋翼模式飞行使航行器缓慢降落至水面，待降落平稳后，倾转机构使跨介质推进器再缓慢倾转至水平状态，同时水泵开始工作，将水吸入压载水舱内使得水下空中跨域航行器潜入水中；
(4)水下潜航：待水下空中跨域航行器潜入水下到一定深度后，位于跨介质推进器尾部的第二电机驱动水下螺旋桨转动，在水下螺旋桨的推动下航行器向前运动，第一空气螺旋桨处于随动状态以减小水下阻力，通过控制方向舵实现航行器水下潜航时的偏航运动，控制副翼舵和升降舵实现航行器水下潜航时的俯仰运动；通过两个水下螺旋桨的差动，也可实现航行器的偏航、回转等动作；
(5)上浮出水：控制副翼舵和升降舵将航行器潜航至水面附近，位于平台内的水泵开始工作，排出压载水舱内的水，使航行器上浮至水面。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，能够实现航行器的水下空中跨域航行，通过倾转机构能够实现旋翼模式和固定翼模式航行的切换，旋翼模式时能够垂直起降，固定翼模式时能高速高效飞行。
附图说明
图1为本发明的水下空中跨域航行器主视图。
图2为本发明的水下空中跨域航行器俯视图。
图3为本发明的跨介质推进器结构图。
图4为本发明的空气螺旋桨结构图。
图5为本发明的控制系统布置图。
其中：1、平台主体；2、跨介质推进器；3、空气螺旋桨组件；4、垂直尾翼；5、方向舵；6、副翼舵；7、电池；8、数传；9、水平尾翼；10、升降舵；11、水泵；12、压载水舱；13、倾转机构；13.1、碳杆；13.2、倾转舵机座；13.3、倾转舵机；13.4、轴承；14、第一电机座；15、第一电机；16、第一空气螺旋桨；17、第二电机；18、水下螺旋桨；19、第三电机座；20、第三电机；21、第二空气螺旋桨；22、第一电调；23、第二电调；24、飞行控制器。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示的实施例中，一种水下空中跨域航行器主要包括平台主体1，平台主体1前部左右两侧对称设置跨介质推进器2，平台主体1中后部中间位置设置空气螺旋桨组件3。
如图1和图2所示的实施例中，平台主体1后部中间位置竖直设置垂直尾翼4，垂直尾翼4后端连接方向舵5。垂直尾翼4上端水平设置水平尾翼9，水平尾翼9后端连接升降舵10。
如图1和图2所示的实施例中，平台主体1左右两侧对称设置飞行翼，飞行翼后端设置副翼舵6。
如图3所示的实施例中，跨介质推进器2包括第一电机座14，第一电机座14内分上下设置第一电机15和第二电机17，第一电机15的驱动端向上伸出并连接第一空气螺旋桨16，第二电机17的驱动端向下伸出并连接水下螺旋桨18。
如图3所示的实施例中，第一电机座14上连接倾转机构13，倾转机构13能够带动第一电机座14倾转姿态。倾转机构13包括碳杆13.1，碳杆13.1一端连接平台主体1侧面，碳杆13.1另一端连接倾转舵机座13.2，倾转舵机座13.2内通过轴承13.4支撑连接倾转舵机13.3，倾转舵机13.3驱动端连接第一电机座14，倾转舵机13.3能够带动第一电机座14旋转，调整位置状态。
如图4所示的实施例中，空气螺旋桨组件3包括第三电机座19，第三电机座19上端设置第三电机20，第三电机20驱动端连接第二空气螺旋桨20。
如图2所示的实施例中，平台主体1中间位置设置水泵11和压载水舱12，水泵11取水口设置在平台主体1外侧壁上，水泵11出水口连接压载水舱12，水泵11工作时，抽取外部环境的水，然后将水打入压载水舱12中起到压载作用。
如图5所示的实施例中，平台主体1内设置控制系统，控制系统包括飞行控制器24，飞行控制器24电连接数传14，通过数传14将数据发送给监控软件。飞行控制器24能够电连接接收机，实现远程遥控。
如图5所示的实施例中，飞行控制器24上电连接三个第一电调22，三个第一电调22分别连接两个第一电机15和一个第三电机20。飞行控制器24上电连接两个第二电调23，两个第二电调23分别连接两个第二电机17。
如图5所示的实施例中，飞行控制器24上电连接两个倾转舵机13.3，飞行控制器24上电连接两个副翼舵6，飞行控制器24上电连接方向舵5和升降舵10。飞行控制器24上电连接水泵11。
如图5所示的实施例中，控制系统还包括电池7，电池7为控制系统供电。
控制系统工作时，电调能够将飞行控制器24的控制指令传递给电机，同时将电机的运行参数反馈给飞行控制器24，电调和飞行控制器24双向信号连接。舵机和水泵只接收飞行控制器24的控制指令，为单向信号连接。
按照航行器的驱动力来源进行分类，旋翼模式时,航行器的驱动力由推进器的水平分力提供，航行器的重力由推进器的垂直分力平衡，特点是推进器效率低、飞行速度慢、航程短，最常见的有直升机、大疆的旋翼无人机。固定翼模式时，航行器的驱动力由推进器提供，航行器的重力由固定翼提供的升力平衡,特点是推进器效率高、飞行速度快、航程远，最常见的有民航客机、战斗机。
一种水下空中跨域航行器的跨域航行方法，包括如下步骤：
(1)水面起飞：倾转机构13使跨介质推进器2垂直向上，水下空中跨域航行器以旋翼模式在水面垂直起飞，通过调节第一空气螺旋桨16和第二空气螺旋桨20的转速，控制副翼舵6、升降舵10和方向舵5即可实现航行器的起飞与机动飞行动作；
(2)空中飞行：水下空中跨域航行器达到一定高度和前飞速度后，跨介质推进器2倾转进入固定翼模式，使水下空中跨域航行器高速高效水平飞行，此时跨介质推进器2处于水平位置，跨介质推进器2的第一电机15驱动第一空气螺旋桨16转动，下部的第二电机17停止工作，对应的水下螺旋桨18都处于随动状态，以减小在水平飞行时的阻力；此时两个第一空气螺旋桨16都产生向前的拉力，通过控制副翼舵6、升降舵10和方向舵5，进而实现对航行器飞行姿态的控制，实现航行器直航、俯仰、偏航等动作；另外，通过两个第一空气螺旋桨16的差动，也可实现航行器的偏航动作；
(3)降落潜水：两个第一空气螺旋桨16同步降低转速，航行器降到一定高度后调节倾转机构13使跨介质推进器2缓慢倾转至垂直状态，同时尾部空气螺旋桨组件3启动工作产生垂直向上拉力，采用多旋翼模式飞行使航行器缓慢降落至水面，待降落平稳后，倾转机构13使跨介质推进器2再缓慢倾转至水平状态，同时水泵11开始工作，将水吸入压载水舱12内使得水下空中跨域航行器潜入水中；
(4)水下潜航：待水下空中跨域航行器潜入水下到一定深度后，位于跨介质推进器2尾部的第二电机17驱动水下螺旋桨18转动，在水下螺旋桨18的推动下航行器向前运动，第一空气螺旋桨16处于随动状态以减小水下阻力，通过控制方向舵5实现航行器水下潜航时的偏航运动，控制副翼舵6和升降舵10实现航行器水下潜航时的俯仰运动；通过两个水下螺旋桨18的差动，也可实现航行器的偏航、回转等动作。
(5)上浮出水：控制副翼舵6和升降舵10将航行器潜航至水面附近，位于平台内的水泵11开始工作，排出压载水舱12内的水，使航行器上浮至水面。
重复步骤(1)-(5)即可实现航行器反复出入水跨域航行。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (7)
1.一种水下空中跨域航行器，包括平台主体(1)，其特征在于：所述平台主体(1)前部左右两侧对称设置跨介质推进器(2)，平台主体(1)中后部中间位置设置空气螺旋桨组件(3)；所述平台主体(1)后部中间位置竖直设置垂直尾翼(4)，垂直尾翼(4)后端连接方向舵(5)，垂直尾翼(4)上端水平设置水平尾翼(9)，水平尾翼(9)后端连接升降舵(10)；所述平台主体(1)左右两侧对称设置飞行翼，飞行翼后端设置副翼舵(6)；所述跨介质推进器(2)包括第一电机座(14)，第一电机座(14)内分上下设置第一电机(15)和第二电机(17)，第一电机(15)的驱动端向上伸出并连接第一空气螺旋桨(16)，第二电机(17)的驱动端向下伸出并连接水下螺旋桨(18),所述第一电机座(14)上连接倾转机构(13)，倾转机构(13)能够带动第一电机座(14)倾转姿态；所述空气螺旋桨组件(3)包括第三电机座(19)，第三电机座(19)上端设置第三电机(20)，第三电机(20)驱动端连接第二空气螺旋桨(21)；所述平台主体(1)内设置控制系统，控制系统包括飞行控制器(24)，所述飞行控制器(24)上电连接三个第一电调(22)，三个第一电调(22)分别连接两个第一电机(15)和一个第三电机(20)，飞行控制器(24)上电连接两个第二电调(23)，两个第二电调(23)分别连接两个第二电机(17)。
2.如权利要求1所述的一种水下空中跨域航行器，其特征在于：所述倾转机构(13)包括碳杆(13.1)，碳杆(13.1)一端连接平台主体(1)侧面，碳杆(13.1)另一端连接倾转舵机座(13.2)，倾转舵机座(13.2)内通过轴承(13.4)支撑连接倾转舵机(13.3)，倾转舵机(13.3)驱动端连接第一电机座(14)，倾转舵机(13.3)能够带动第一电机座(14)旋转，调整位置状态，飞行控制器(24)上电连接两个倾转舵机(13.3)。
3.如权利要求1所述的一种水下空中跨域航行器，其特征在于：所述平台主体(1)中间位置设置水泵(11)和压载水舱(12)，水泵(11)取水口设置在平台主体(1)外侧壁上，水泵(11)出水口连接压载水舱(12)，飞行控制器(24)上电连接水泵(11)，飞行控制器(24)上电连接水泵(11)。
4.如权利要求1所述的一种水下空中跨域航行器，其特征在于：所述飞行控制器(24)电连接数传(14)，通过数传(14)将数据发送给监控软件。
5.如权利要求1所述的一种水下空中跨域航行器，其特征在于：所述飞行控制器(24)上电连接两个副翼舵(6)，飞行控制器(24)上电连接方向舵(5)和升降舵(10)。
6.如权利要求1所述的一种水下空中跨域航行器，其特征在于：所述控制系统还包括电池(7)，电池(7)为控制系统供电。
7.一种水下空中跨域航行器的跨域航行方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)水面起飞：倾转机构(13)使跨介质推进器(2)垂直向上，水下空中跨域航行器以旋翼模式在水面垂直起飞，通过调节第一空气螺旋桨(16)和第二空气螺旋桨(20)的转速，控制副翼舵(6)、升降舵(10)和方向舵(5)即可实现航行器的起飞与机动飞行动作；
(2)空中飞行：水下空中跨域航行器达到一定高度和前飞速度后，跨介质推进器(2)倾转进入固定翼模式，使水下空中跨域航行器高速高效水平飞行，此时跨介质推进器(2)处于水平位置，跨介质推进器(2)的第一电机(15)驱动第一空气螺旋桨(16)转动，下部的第二电机(17)停止工作，对应的水下螺旋桨(18)都处于随动状态，以减小在水平飞行时的阻力；此时两个第一空气螺旋桨(16)都产生向前的拉力，通过控制副翼舵(6)、升降舵(10)和方向舵(5)，进而实现对航行器飞行姿态的控制，实现航行器直航、俯仰、偏航等动作；另外，通过两个第一空气螺旋桨(16)的差动，也可实现航行器的偏航动作；
(3)降落潜水：两个第一空气螺旋桨(16)同步降低转速，航行器降到一定高度后调节倾转机构(13)使跨介质推进器(2)缓慢倾转至垂直状态，同时尾部空气螺旋桨组件(3)启动工作产生垂直向上拉力，采用多旋翼模式飞行使航行器缓慢降落至水面，待降落平稳后，倾转机构(13)使跨介质推进器(2)再缓慢倾转至水平状态，同时水泵(11)开始工作，将水吸入压载水舱(12)内使得水下空中跨域航行器潜入水中；
(4)水下潜航：待水下空中跨域航行器潜入水下到一定深度后，位于跨介质推进器(2)尾部的第二电机(17)驱动水下螺旋桨(18)转动，在水下螺旋桨(18)的推动下航行器向前运动，第一空气螺旋桨(16)处于随动状态以减小水下阻力，通过控制方向舵(5)实现航行器水下潜航时的偏航运动，控制副翼舵(6)和升降舵(10)实现航行器水下潜航时的俯仰运动；通过两个水下螺旋桨(18)的差动，也可实现航行器的偏航、回转等动作；
(5)上浮出水：控制副翼舵(6)和升降舵(10)将航行器潜航至水面附近，位于平台内的水泵(11)开始工作，排出压载水舱(12)内的水，使航行器上浮至水面。
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