CN114013649A - 一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器 - Google Patents

Abstract

一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，包括机身、机翼及倾转旋翼机构；机翼对称设在机身左右两侧，机翼中部设有旋翼机构安装孔，倾转旋翼机构设在旋翼机构安装孔内；机身后部下方设有腹鳍，机身后部上方设有V尾，V尾上设有舵面；机翼翼尖处分别设有上反小翼和下反小翼，机翼后缘处设有副翼；机翼翼根处内部设有水箱，水箱顶部设有通气孔，通气孔处设有防水透气阀，水箱下部设有通水孔，通水孔处设有节流阀；机身内部设有双向水泵，双向水泵的一端泵水口通过输水管道与水箱通水孔相连通；机身底部设有换水孔，双向水泵的另一端泵水口通过输水管道与换水孔相连通。本发明的飞行器具备在空中飞行、水面航行及水下潜行的能力，各模式间可自由切换。

Description

一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器

技术领域

本发明属于无人飞行器技术领域，特别是涉及一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器。

背景技术

跨介质飞行器是在第二次世界大战期间被首先提出，但受限于当时的材料、动力等技术水平，跨介质飞行器在当时只停留在概念阶段。随着科技的不断发展，尤其是在无人机制造和推进动力等领域的技术进步，以及旋翼无人机和固定翼无人机的成熟度越来越高，进一步推动了跨介质飞行器的发展。

跨介质飞行器，顾名思义，是可以在不同介质中航行的飞行器，例如，既可以在空中快速飞行，又可以在水中像潜艇一样航行，并且可以根据任务需要在不同模式间切换。

跨介质飞行器除了可以在军事领域中应用，用以发挥其集速度和隐蔽性于一身的特点，还可以扩展到民用领域中作为应急救灾时的通信中转站来使用，在战时又可以与潜艇或舰载机搭配使用，进一步提升作战能力。

近年来，各国都在加紧研发跨介质飞行器。以美国为例，其在近期研制了一种潜射无人机，该无人机可以从潜艇发射，该潜射无人机在水下使用火箭发动机推动航行，跃出水面后开启涡扇发动机以实现空中飞行。然而，该潜射无人机在完成空中飞行任务后，无法二次返回水中，只能降落在水面上等待回收，即该潜射无人机在降落在水面后无法再次潜入水中，也无法在降落水面后二次升空，因此严重限制了该潜射无人机的环境适应能力。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，具备在空中飞行、水面航行以及水下潜行的能力，同时可以在空中飞行模式、水面航行模式以及水下潜行模式之间自由切换，大幅度提高了飞行器的环境适应能力。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，包括机身、机翼及倾转旋翼机构；所述机翼对称设置在机身左右两侧，在机翼中部开设有旋翼机构安装孔，所述倾转旋翼机构设置在旋翼机构安装孔内；在所述机身后部下方设有腹鳍，在机身后部上方设有V尾，V尾上设置有舵面；在所述机翼翼尖处分别设置有上反小翼和下反小翼，在机翼后缘处设置有副翼；在所述机翼翼根处内部设置有水箱，在水箱顶部开设有通气孔，通气孔处设置有防水透气阀，在水箱下部开设有通水孔，在通水孔处设置有节流阀；在所述机身内部设置有双向水泵，双向水泵的一端泵水口通过输水管道与水箱的通水孔相连通；在所述机身底部开设有换水孔，所述双向水泵的另一端泵水口通过输水管道与换水孔相连通。

所述倾转旋翼机构包括螺旋桨叶、防水无刷电机、涵道筒体、倾转连接卡箍及倾转舵机；所述防水无刷电机同轴固定安装在涵道筒体内部，所述螺旋桨叶同轴固装在防水无刷电机的电机轴上；所述倾转连接卡箍同轴固定套装在涵道筒体外部；所述倾转舵机固定安装在机翼内部主梁上，倾转舵机的电机轴与倾转连接卡箍固定连接，倾转舵机对侧的倾转连接卡箍与机翼主梁相铰接。

所述螺旋桨叶采用变桨距结构；当飞行器执行空中飞行模式时，通过减小螺旋桨叶的桨距角来提高转速；当飞行器执行水中潜行模式时，通过增大螺旋桨叶的桨距角来提高推力。

在所述机身内部设置有腹鳍摆转驱动电机，所述腹鳍与腹鳍摆转驱动电机的电机轴相连接，腹鳍的摆转角度范围为±30°；当飞行器执行水面航行模式时，通过调整腹鳍的摆转角度进行转向姿态控制。

在所述机翼上表面和下表面均设置有导流凹槽，当所述倾转旋翼机构的涵道筒体处于水平状态时，导流凹槽的导流方向与倾转旋翼机构的涵道筒体轴向相平行；当飞行器执行空中飞行模式、水中潜行模式或水面航行模式时，通过导流凹槽来增加涵道筒体的进气量或进水量。

当所述倾转旋翼机构的涵道筒体处于水平状态时，与所述机翼上表面导流凹槽正对的涵道筒体外露部分的截面积为涵道筒体整体截面积的1/3，与机翼下表面导流凹槽正对的涵道筒体外露部分的截面积为涵道筒体整体截面积的2/5。

所述旋翼机构安装孔中心位置的航向坐标为飞行器的重心坐标，旋翼机构安装孔中心位置的展向坐标为V尾的翼尖在机翼上的投影坐标。

所述上反小翼采用对称翼型，上反小翼的上反角度为70°～85°，上反小翼的长度为机翼翼展的1/7～1/6；当飞行器执行空中飞行模式时，通过上反小翼来减小机翼的翼尖涡流。

所述下反小翼采用对称翼型，下反小翼的下反角度为60°～80°，下反小翼的长度为机翼翼展的1/6～1/5；当飞行器执行水中潜行模式或水面航行模式时，通过下反小翼来增加水中潜行或水面航行的稳定性。

所述V尾的V角为90°～120°，V尾位于腹鳍上方；所述V尾上的舵面在飞行器执行空中飞行模式或水中潜行模式时作为方向舵；所述腹鳍在飞行器执行水面航行模式时作为方向舵。

本发明的有益效果：

本发明的三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，具备在空中飞行、水面航行以及水下潜行的能力，同时可以在空中飞行模式、水面航行模式以及水下潜行模式之间自由切换，大幅度提高了飞行器的环境适应能力。

附图说明

图1为本发明的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器(涵道筒体处于水平状态)的结构示意图(视角一)；

图2为本发明的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器(局部剖视，涵道筒体处于水平状态)的结构示意图(视角二)；

图3为本发明的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器(局部剖视，涵道筒体处于水平状态)的结构示意图(视角三)；

图4为本发明的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器(涵道筒体处于竖直状态)的结构示意图(视角四)；

图5为本发明的螺旋桨叶及涵道筒体的装配体结构示意图；

图中，1—机身，2—机翼，3—倾转旋翼机构，4—旋翼机构安装孔，5—腹鳍，6—V尾，7—舵面，8—上反小翼，9—下反小翼，10—副翼，11—水箱，12—通气孔，13—双向水泵，14—输水管道，15—换水孔，16—螺旋桨叶，17—防水无刷电机，18—涵道筒体，19—倾转连接卡箍，20—导流凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～5所示，一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，包括机身1、机翼2及倾转旋翼机构3；所述机翼2对称设置在机身1左右两侧，在机翼2中部开设有旋翼机构安装孔4，所述倾转旋翼机构3设置在旋翼机构安装孔4内；在所述机身1后部下方设有腹鳍5，在机身1后部上方设有V尾6，V尾6上设置有舵面7；在所述机翼2翼尖处分别设置有上反小翼8和下反小翼9，在机翼2后缘处设置有副翼10；在所述机翼2翼根处内部设置有水箱11，在水箱11顶部开设有通气孔12，通气孔12处设置有防水透气阀，在水箱11下部开设有通水孔，在通水孔处设置有节流阀；在所述机身1内部设置有双向水泵13，双向水泵13的一端泵水口通过输水管道14与水箱11的通水孔相连通；在所述机身1底部开设有换水孔15，所述双向水泵13的另一端泵水口通过输水管道14与换水孔15相连通。

所述倾转旋翼机构3包括螺旋桨叶16、防水无刷电机17、涵道筒体18、倾转连接卡箍19及倾转舵机；所述防水无刷电机17同轴固定安装在涵道筒体18内部，所述螺旋桨叶16同轴固装在防水无刷电机17的电机轴上；所述倾转连接卡箍19同轴固定套装在涵道筒体18外部；所述倾转舵机固定安装在机翼2内部主梁上，倾转舵机的电机轴与倾转连接卡箍19固定连接，倾转舵机对侧的倾转连接卡箍19与机翼2主梁相铰接。

所述螺旋桨叶16采用变桨距结构；当飞行器执行空中飞行模式时，通过减小螺旋桨叶16的桨距角来提高转速；当飞行器执行水中潜行模式时，通过增大螺旋桨叶16的桨距角来提高推力。

在所述机身1内部设置有腹鳍摆转驱动电机，所述腹鳍5与腹鳍摆转驱动电机的电机轴相连接，腹鳍5的摆转角度范围为±30°；当飞行器执行水面航行模式时，通过调整腹鳍5的摆转角度进行转向姿态控制。

在所述机翼2上表面和下表面均设置有导流凹槽20，当所述倾转旋翼机构3的涵道筒体18处于水平状态时，导流凹槽20的导流方向与倾转旋翼机构3的涵道筒体18轴向相平行；当飞行器执行空中飞行模式、水中潜行模式或水面航行模式时，通过导流凹槽20来增加涵道筒体18的进气量或进水量。

当所述倾转旋翼机构3的涵道筒体18处于水平状态时，与所述机翼2上表面导流凹槽20正对的涵道筒体18外露部分的截面积为涵道筒体18整体截面积的1/3，与机翼2下表面导流凹槽20正对的涵道筒体18外露部分的截面积为涵道筒体18整体截面积的2/5。

所述旋翼机构安装孔4中心位置的航向坐标为飞行器的重心坐标，旋翼机构安装孔4中心位置的展向坐标为V尾6的翼尖在机翼2上的投影坐标。

所述上反小翼8采用对称翼型，上反小翼8的上反角度为70°～85°，上反小翼8的长度为机翼2翼展的1/7～1/6；当飞行器执行空中飞行模式时，通过上反小翼8来减小机翼2的翼尖涡流。

所述下反小翼9采用对称翼型，下反小翼9的下反角度为60°～80°，下反小翼9的长度为机翼2翼展的1/6～1/5；当飞行器执行水中潜行模式或水面航行模式时，通过下反小翼9来增加水中潜行或水面航行的稳定性。

所述V尾6的V角为90°～120°，V尾6位于腹鳍5上方；所述V尾6上的舵面7在飞行器执行空中飞行模式或水中潜行模式时作为方向舵；所述腹鳍5在飞行器执行水面航行模式时作为方向舵。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

本实施例中，飞行器采用电池供电，在飞行器的机身1和机翼2上布设多个摄像头，在飞行器的机身1最前端布设有雷达/声呐，用以实现侦测、勘察或避障；在飞行器的机身1和机翼2上布设多个照明灯，用以实现探测照明、紧急情况下发送求救信号；在飞行器的机身1底部配置有可以折叠收放的起落架，用以实现飞行器在地面上起降。

首先控制飞行器以地面滑跑方式起飞，用以执行空中飞行模式，地面滑跑起飞时，倾转旋翼机构3的涵道筒体18处于水平状态，将螺旋桨叶16的桨距角调整到最小，在防水无刷电机17驱动下，螺旋桨叶16可获得最大转速。或者，还可以控制飞行器以垂直起降方式起飞，并且倾转旋翼机构3的涵道筒体18处于竖直状态。

当飞行器以垂直起降方式进入空中飞行状态后，并维持旋翼机飞行状态时，可以通过倾转舵机改变涵道筒体18的倾转角度，即控制涵道筒体18前倾或后倾，进而控制飞行器向前或向后飞行。当控制左右两台防水无刷电机17产生转速差时，可以控制飞行器向左或向右飞行。当控制左右涵道筒体18的倾转方向彼此相反时，可以控制飞行器向左或向右偏航。

当飞行器需要从旋翼机飞行状态进入固定翼飞行状态时，需要先控制飞行器爬升到一定高度，之后由倾转舵机改变涵道筒体18的倾转角度，直到涵道筒体18从竖直状态变为水平状态，且左右涵道筒体18同步以30°/s的速度向前倾转。

当飞行器进入固定翼飞行状态后，由高速旋转的螺旋桨叶16提供飞行器向前的动力，当飞行器需要改变航向时，只需通过V尾6上的舵面7进行控制。当飞行器需要进行滚转时，只需通过机翼2上的副翼10进行控制。当飞行器需要进行俯仰时，只需通过V尾6上的舵面7以及机翼2上的副翼10进行混合控制。

当飞行器需要从空中飞行模式切换到水下潜行模式时，首先将飞行器从固定翼飞行状态恢复为旋翼机飞行状态，之后在旋翼机飞行状态下垂直降落到水面上。当飞行器停稳在水面后，将螺旋桨叶16的桨距角调整到最大，在防水无刷电机17驱动下，螺旋桨叶16可获得最大推力。同时，启动双向水泵13，位于水面之下的换水孔15在负压下进行吸水，吸入的水会直接通过双向水泵13和输水管道14进入水箱11内，在水箱11进行注水时，水箱11内的空气直接通过水箱11顶部的通气孔12排出，随着水箱11注水量的增加，飞行器的重力逐渐增大，直到飞行器完全下沉至水体中。在下潜过程中，如果左右机翼2的浮力不平衡时，需要将左右机翼2的浮力调整到平衡状态，对于浮力偏小的一侧机翼2，通过减小该侧的节流阀的流量，以降低该侧水箱11的注水速度，直到左右机翼2的浮力达到平衡，之后关闭双向水泵13。

当飞行器完全潜入水体后，可以通过倾转舵机改变涵道筒体18的倾转角度，即控制涵道筒体18前倾或后倾，进而控制飞行器向前或向后潜行。当控制左右两台防水无刷电机17产生转速差时，可以控制飞行器向左或向右潜行。当控制左右涵道筒体18的倾转方向彼此相反时，可以控制飞行器向左或向右偏航。

当飞行器需要从旋翼潜行状态进入固定翼潜行状态时，由倾转舵机改变涵道筒体18的倾转角度，直到涵道筒体18从竖直状态变为水平状态，且左右涵道筒体18同步以10°/s的速度向前倾转。

当飞行器进入固定翼潜行状态后，由高速旋转的螺旋桨叶16提供飞行器向前的动力，当飞行器需要改变航向时，只需通过V尾6上的舵面7进行控制。当飞行器需要进行滚转时，只需通过机翼2上的副翼10进行控制。当飞行器需要进行俯仰时，只需通过V尾6上的舵面7以及机翼2上的副翼10进行混合控制。

当飞行器需要从水下潜行模式切换到水面航行模式时，首先将飞行器从固定翼潜行状态恢复到旋翼潜行状态，之后在固定翼潜行状态下垂直上浮至水面上。当飞行器上浮至水面后，启动双向水泵13，位于水箱11顶部的通气孔12在负压下吸入空气，水箱11中的水直接通过双向水泵13和输水管道14并由水面之下的换水孔15排入水体中，当水箱11中的水排空后，关闭双向水泵13，此时飞行器凭借自身浮力就可以浮在水面之上而不会下沉。

当飞行器依靠自身浮力浮在水面之后，由倾转舵机改变涵道筒体18的倾转角度，直到涵道筒体18从竖直状态变为水平状态，且左右涵道筒体18同步以10°/s的速度向前倾转。当涵道筒体18变为水平状态后，直接由高速旋转的螺旋桨叶16提供飞行器向前的动力，在水面航行过程中，只需通过调整腹鳍5的摆转角度来控制飞行器在水面上进行转向。

当飞行器需要从水面航行模式切换到空中飞行状态时，需要将涵道筒体18从水平状态调整回竖直状态，之后将螺旋桨叶16的桨距角调整到最小，在防水无刷电机17驱动下，螺旋桨叶16可获得最大转速，最后控制飞行器以垂直起降方式从水面上完成起飞。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，其特征在于：包括机身、机翼及倾转旋翼机构；所述机翼对称设置在机身左右两侧，在机翼中部开设有旋翼机构安装孔，所述倾转旋翼机构设置在旋翼机构安装孔内；在所述机身后部下方设有腹鳍，在机身后部上方设有V尾，V尾上设置有舵面；在所述机翼翼尖处分别设置有上反小翼和下反小翼，在机翼后缘处设置有副翼；在所述机翼翼根处内部设置有水箱，在水箱顶部开设有通气孔，通气孔处设置有防水透气阀，在水箱下部开设有通水孔，在通水孔处设置有节流阀；在所述机身内部设置有双向水泵，双向水泵的一端泵水口通过输水管道与水箱的通水孔相连通；在所述机身底部开设有换水孔，所述双向水泵的另一端泵水口通过输水管道与换水孔相连通。

2.根据权利要求1所述的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，其特征在于：所述倾转旋翼机构包括螺旋桨叶、防水无刷电机、涵道筒体、倾转连接卡箍及倾转舵机；所述防水无刷电机同轴固定安装在涵道筒体内部，所述螺旋桨叶同轴固装在防水无刷电机的电机轴上；所述倾转连接卡箍同轴固定套装在涵道筒体外部；所述倾转舵机固定安装在机翼内部主梁上，倾转舵机的电机轴与倾转连接卡箍固定连接，倾转舵机对侧的倾转连接卡箍与机翼主梁相铰接。

3.根据权利要求2所述的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，其特征在于：所述螺旋桨叶采用变桨距结构；当飞行器执行空中飞行模式时，通过减小螺旋桨叶的桨距角来提高转速；当飞行器执行水中潜行模式时，通过增大螺旋桨叶的桨距角来提高推力。

4.根据权利要求1所述的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，其特征在于：在所述机身内部设置有腹鳍摆转驱动电机，所述腹鳍与腹鳍摆转驱动电机的电机轴相连接，腹鳍的摆转角度范围为±30°；当飞行器执行水面航行模式时，通过调整腹鳍的摆转角度进行转向姿态控制。

5.根据权利要求1所述的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，其特征在于：在所述机翼上表面和下表面均设置有导流凹槽，当所述倾转旋翼机构的涵道筒体处于水平状态时，导流凹槽的导流方向与倾转旋翼机构的涵道筒体轴向相平行；当飞行器执行空中飞行模式、水中潜行模式或水面航行模式时，通过导流凹槽来增加涵道筒体的进气量或进水量。

6.根据权利要求5所述的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，其特征在于：当所述倾转旋翼机构的涵道筒体处于水平状态时，与所述机翼上表面导流凹槽正对的涵道筒体外露部分的截面积为涵道筒体整体截面积的1/3，与机翼下表面导流凹槽正对的涵道筒体外露部分的截面积为涵道筒体整体截面积的2/5。

7.根据权利要求1所述的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，其特征在于：所述旋翼机构安装孔中心位置的航向坐标为飞行器的重心坐标，旋翼机构安装孔中心位置的展向坐标为V尾的翼尖在机翼上的投影坐标。

8.根据权利要求1所述的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，其特征在于：所述上反小翼采用对称翼型，上反小翼的上反角度为70°～85°，上反小翼的长度为机翼翼展的1/7～1/6；当飞行器执行空中飞行模式时，通过上反小翼来减小机翼的翼尖涡流。

9.根据权利要求1所述的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，其特征在于：所述下反小翼采用对称翼型，下反小翼的下反角度为60°～80°，下反小翼的长度为机翼翼展的1/6～1/5；当飞行器执行水中潜行模式或水面航行模式时，通过下反小翼来增加水中潜行或水面航行的稳定性。

10.根据权利要求1所述的一种三栖跨介质横列倾转双旋翼飞行器，其特征在于：所述V尾的V角为90°～120°，V尾位于腹鳍上方；所述V尾上的舵面在飞行器执行空中飞行模式或水中潜行模式时作为方向舵；所述腹鳍在飞行器执行水面航行模式时作为方向舵。

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