CN117360130A - 一种跨介质航行器及其航行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航行器技术领域，特别是涉及一种跨介质航行器及其航行方法，跨介质航行器包括机身、设置在机身两侧的倾转旋翼和朝外延伸的杆体，各杆体均转动连接有刚性翼板，各刚性翼板的端部均固定有柔性翼片，驱动机构驱动各刚性翼板上下摆动，刚性翼与柔性翼片形成能够驱动机身水下航行的扑翼，扑翼运行时能够与水生物伴游，不会伤害水生物；机身在空中航行时，各倾转旋翼均可朝向机身的航行方向布置，此时各倾转旋翼旋转时能够向机身施加向前的推力，且驱动机构可驱动各刚性翼板朝向机身航行方向固定布置，使得各刚性翼板形成向机身提供升力的机翼，不需要在机身外侧额外设置固定式机翼，使得跨介质航行器的结构更加紧凑、重量更轻。
Description
技术领域
本发明涉及航行器技术领域，特别是涉及一种跨介质航行器及其航行方法。
背景技术
空中飞行器和水下航行器在海洋探测以及军事领域得到了广泛应用。水下平台航行隐蔽性好，不易被发现，但阻力大，且可利用的探测手段较少；空中平台飞行阻力小，可利用的探测手段较多。空水跨介质航行器能够灵活地在反复水空之间切换航行介质。在军事任务中使敌常规作战系统难以应对，创新作战样式，形成颠覆性的作战能力，成为未来海上作战体系中新的战斗力增长点；在海洋探测等民事任务中无需空中、水面和水下平台协同执行，极大提升执行效率，降低成本。
授权公告号为CN111114772A的中国发明专利公开了一种可垂直起降三栖跨介质飞行器，其在机身两侧固定有机翼，并在机身两侧设有倾转旋翼，在起飞时倾转旋翼转动至水平转动，利用倾转旋翼提供向上的拉升力实现起飞，在飞行状态下，将倾转旋翼由水平状态转动至与航行一致，使得倾转旋翼向机身提供巡航动力，利用机翼向机身提供克服机身重力的升力；该可垂直起降三栖跨介质飞行器在机身两侧还设有水翼，在水下航行时，依靠扩至至发动机驱动旋翼转动来向机身提供动力，依靠水翼和浮力控制系统来控制水下航行深度。然而，在水下航行时，依靠旋翼来为机身提供航行动力，旋翼运转过程中存在较大噪音，而且如果水生物碰到旋翼会受到致命伤害，存在生物适应性差的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有跨介质航行器利用倾转旋翼驱动机身在水下航行，生物适应性差，且固定在机身两侧的机翼增大了跨介质航行器在水下的航行阻力。
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种跨介质航行器，包括：
机身，所述机身的两侧均设有倾转旋翼和朝外延伸的杆体，各所述杆体均转动连接有刚性翼板，各所述刚性翼板的端部均固定有柔性翼片；
驱动机构，所述驱动机构设置在所述机身上，所述驱动机构用于驱动各刚性翼板上下摆动，以使各所述刚性翼板和固定各所述刚性翼板端部的柔性翼片形成驱动所述机身在水下航行的扑翼；各所述倾转旋翼均可转动至朝向所述机身的航行方向布置，且所述驱动机构可驱动各所述刚性翼板摆动至朝向所述机身的航行方向固定布置，以使各所述刚性翼板形成向所述机身提供升力的机翼。
作为优选方案，各所述刚性翼板的中部分别转动连接在各所述杆体上，各所述柔性翼片分别连接在各所述刚性翼板的第二端；
各所述倾转旋翼均包括第一旋翼和用于调整所述第一旋翼的朝向的倾转机构，各所述第一旋翼分别连接在各所述刚性翼板的第一端。
作为优选方案，各所述倾转机构均包括旋转驱动装置和固定在所述旋转驱动装置的输出端的摆杆，各所述旋转驱动装置分别固定在各所述杆体远离所述机身的一端，各所述摆杆远离各所述旋转驱动装置的一端分别与各所述刚性翼板的第一端固定。
作为优选方案，各所述摆杆均包括第一杆状部和与所述第一杆状部垂直布置的第二杆状部，各所述第一杆状部分别与各所述旋转驱动装置的输出端垂直固定，各所述第二杆状部均向靠近所述机身的方向延伸，各所述第一旋翼分别固定在各所述第二杆状部的中部，各所述第二杆状部远离各所述第一杆状部的一端分别与各所述刚性翼板的第一端固定。
作为优选方案，所述机身的尾部固定有朝上布置的第二旋翼。
作为优选方案，所述机身的头部或所述机身的尾部设有压载水舱，所述机身还设有用于向所述压载水舱中通水或抽水的压载水调节系统。
一种上述的跨介质航行器的航行方法，包括水下伴游航行方法和第一种空中航行方法：
所述水下伴游航行方法用于同水生物伴游，所述水下伴游航行方法包括,关闭各倾转旋翼，利用驱动机构驱动刚性翼板上下摆动；
所述第一种空中航行方法包括，将各所述倾转旋翼转动至朝向机身前方，启动各所述倾转旋翼，以使各所述倾转旋翼向机身施加向前的推力；利用驱动机构将各所述刚性翼板驱动至朝向所述机身后方，以使各所述扑翼向所述机身提供升力。
作为优选方案，所述跨介质航行器的航行方法包括水下矢量航行方法，所述水下矢量航行方法包括：启动各所述倾转旋翼，通过控制各所述倾转旋翼的转速和朝向，改变所述机身的航向和航速。
作为优选方案，所述跨介质航行器的航行方法包括水下滑翔航行方法，所述水下滑翔航行方法包括：通过压载水调节系统调节所述压载舱内的水量，使得所述机身在水中上浮或下沉，且通过所述驱动机构改变各所述刚性翼板的角度使得所述机身在上浮或下沉时与水平面的夹角。
作为优选方案，所述跨介质航行器的航行方法包括第二种空中航行方法，所述第二种空中航行方法包括：启动各所述倾转旋翼，将各所述倾转旋翼调整至朝上，利用各所述倾转旋翼和第二旋翼驱动所述机身航行。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的跨介质航行器，包括机身、设置在机身两侧的倾转旋翼和朝外延伸的杆体，各杆体均转动连接有刚性翼板，各刚性翼板的端部均固定有柔性翼片，驱动机构设置在机身上，机身在水中航行时，驱动机构驱动各刚性翼板上下摆动，各刚性翼板能够带动各柔性翼片上下摆动，刚性翼与柔性翼片形成能够驱动机身水下航行的扑翼，扑翼运行时能够与水生物伴游，不会伤害水生物，提高了本发明的跨介质航行器的生物适应性；机身在空中航行时，各倾转旋翼均可朝向机身的航行方向布置，此时各倾转旋翼旋转时能够向机身施加向前的推力，且驱动机构可驱动各刚性翼板朝向机身航行方向固定布置，使得各刚性翼板形成向机身提供升力的机翼，不需要在机身外侧额外设置固定式机翼，使得跨介质航行器的结构更加紧凑、重量更轻。
附图说明
图1为本发明的跨介质航行器处于第一种空中航行状态时的结构示意图；
图2为图1中A处局部放大图；
图3为扑翼扑动时的受力分析图；
图4为本发明的跨介质航行器处于第二种空中航行状态时的结构示意图；
图5为本发明的跨介质航行器处于水下伴游航行状态时的结构示意图；
图6为本发明的跨介质航行器的使用方法示意图；
图中，1、机身，2、倾转旋翼，21、第一旋翼，211、翼片组件，212、驱动电机，22、倾转机构，221、旋转驱动装置，222、摆杆，2221、第一杆状部；2222、第二杆状部；31、刚性翼板，32、柔性翼片，4、杆体，5、第二旋翼，6、压载水舱，7、电子舱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。应当理解的是，本发明中采用术语“第一”、“第二”等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语，这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，“第一”信息也可以被称为“第二”信息，类似的，“第二”信息也可以被称为“第一”信息。
如图1至图5所示，本发明一种跨介质航行器的优选实施例，包括机身1，机身1的两侧均设有倾转旋翼2和朝外延伸的杆体4，各杆体4均转动连接有刚性翼板31，各刚性翼板31的端部均固定有柔性翼片32；驱动机构设置在机身1上，机身1在水中航行时，驱动机构驱动各刚性翼板31上下摆动，刚性翼板31能够带动各柔性翼片32上下摆动，使得各刚性翼板31和各柔性翼片32形成用于驱动机身1在水下航行的扑翼；机身1在空中航行时，各倾转旋翼2均可转动至机身航行方向布置，此时各倾转旋翼2旋转时能够向机身1施加向前的推力，且驱动机构可驱动各刚性翼板31摆动至朝向机身航行的后方布置，以使各刚性翼板31形成向机身1提供升力的机翼。本发明的跨介质航行器在水下航行时，驱动机构能够驱动刚性翼板31往复摆动来驱动机身1航行，刚性翼板31运行时能够与水生物伴游，不会伤害水生物，提高了本发明的跨介质航行器的生物适应性；而且，在空中航行时，能够通过驱动机构改变各刚性翼板31的朝向，使得各刚性翼板31形成为机身1提供升力的机翼，不需要在机身1外侧额外设置固定式机翼，使得跨介质航行器的结构更加紧凑、重量更轻，使得跨介质飞行器的结构冗余度低，从而提高跨介质航行器的续航以及携带能力等综合性能。
其中，驱动机构可以仅设置一个，通过传动机构使得单个驱动机构同步驱动位于机身两侧的刚性翼板31摆动，也可以设置多个，多个驱动装置分别驱动与自身连接的刚性翼板31摆动，本实施例中，各刚性翼板31的中部分别转动连接在与各杆体4上，各柔性翼片32分别连接在各刚性翼板31的第二端，各倾转旋翼2均包括第一旋翼21和用于调整第一旋翼21的朝向的倾转机构22，各第一旋翼21分别连接在各刚性翼板31的第一端，具体的，各刚性翼板31的中部一一对应的转动连接在各杆体4上；各第一旋翼21一一对应连接在刚性翼板31的第一端。由于第一旋翼21与刚性翼板31的第一端连接，倾转机构22不仅能够驱动第一旋翼21调整第一旋翼21的朝向，而且能够驱动对应的刚性翼板31摆动，倾转机构22即为本实施例中的用于驱动刚性翼板31摆动的驱动机构，进一步降低了本实施例的跨介质航行器的结构冗余度。本发明的其他实施例中，倾转旋翼2可以与刚性翼板31分开单独设置，通过额外设置驱动机构来驱动刚性翼板31摆动。
本实施例中，如图3所示，各倾转机构22均包括旋转驱动装置221和固定在旋转驱动装置221的输出端的摆杆222，各旋转驱动装置221分别固定在各杆体4远离机身1的一端，各摆杆222远离各旋转驱动装置221的一端分别与各刚性翼板31的第一端固定。具体的，各摆杆222均为L型杆，L型杆包括第一杆状部2221和第二杆状部2222，第一杆状部2221的端部与旋转驱动装置221的输出轴垂直固定，第二杆状部2222向靠近机身1的方向延伸，第一旋翼21固定在第二杆状部2222的中部，各第二杆状部2222远离各第一杆状部2221的一端分别与各刚性翼板31的第一端固定；具体的，第一旋翼21包括翼片组件211和用于驱动翼片组件211旋转的驱动电机212，驱动电机212固定在第二杆状部的中部，第二杆状部的另一端与刚性翼板31的第一端固定连接。
本实施例中，如图2、图3所示，在刚性翼板31摆动时，柔性翼片32所受到的推力为推力F，柔性翼片32的设置能够使得推力F朝航行方向的分力F1更大，朝非航行方向的分力F2更小，因此柔性翼片32的设置提高了扑翼的推动效率。
为保持机身1的平衡，本实施例中，机身1的尾部固定有朝上布置的第二旋翼5。本发明的其他实施例中，本实施例中刚性翼板31和倾转旋翼2均设有一组，一组刚性翼板31包括对称布置的机身1两侧的两个刚性翼板31，一组倾转旋翼2包括左右对称布置在机身1两侧的两个倾转旋翼2；本发明的其他实施例中，可以不设置第二旋翼5，沿机身1长度方向间隔设置多组刚性翼板31和倾转旋翼2。
为提高本发明的跨介质航行器的水下续航能力，本实施例中，机身1的头部或机身1的尾部设有压载水舱6，机身1还设有用于向压载水舱6中通水或抽水的压载水调节系统。本实施例中，压载水舱6设置在机身1的头部，压载水调节系统包括至少一个压载水泵，通过压载水泵调整压载水舱6内水量能够使得机身1上浮或下沉，配合刚性翼板31的角度改变，能够调整机身1的上倾或下倾角度，从而实现水下滑翔，刚性翼板31此时起到滑翔翼的作用。
一种上述的跨介质航行器的航行方法的实施例，如图6所示，包括水下伴游航行方法和第一种空中航行方法：
水下伴游航行方法用于同水生物伴游，水下伴游航行方法包括,关闭各倾转旋翼2，利用驱动机构驱动刚性翼板31上下摆动；具体的，水下伴游航行时，刚性翼板31的摆动范围为正负50°，刚性翼板31的摆动速度较慢且噪音小，避免了刚性翼板31对水生物的伤害，能够实现对水下生物的近距离观察，并且能够跟随水生物，对水生物进行持续跟拍；此时，可通过位于机身1两侧的刚性翼板31的摆动角度和摆动频率的差异来实现机身1的转向，通过调节刚性翼板31的摆动速度和摆动角度来改变机身1的航行速度。
第一种空中航行方法包括，将各倾转旋翼2转动至朝向机身1前方，启动各倾转旋翼2，以使各倾转旋翼2向机身1施加向前的推力；利用驱动机构将各刚性翼板31驱动至朝向机身1后方，以使刚性翼板31向机身1提供升力。具体的，如图1所示，通过旋转驱动装置221驱动摆杆222摆动即可实现对刚性翼板31和第一旋翼21的朝向的控制，倾转旋翼2朝前布置，刚性翼板31朝后布置，本实施例的跨介质航行器处于第一种空中航行状态时，刚性翼板31和第一旋翼21相对于机身1固定，形成固定翼飞机的机翼，第一旋翼21转动能够向机身1施加向前的推力，使得机身1具有向前航行的速度，机身1带动刚性翼板31前行，快速前行的刚性翼板31产生升力，上述升力克服机身1重力，使得跨介质航行器能够在空中保持飞行状态。
本实施例中，跨介质航行器的航行方法包括水下矢量航行方法，水下矢量航行方法包括：启动各倾转旋翼2，通过控制各倾转旋翼2的转速和朝向，改变机身1的航向和航速。具体的，在水生物较少的区域，采用水下矢量航行模式，倾转旋翼2同时朝上，能够向机身1施加向上推力，使得机身1上浮；倾转旋翼2同时朝下，能够向机身1施加向下的推力，增加机身1下沉深度；位于机身1两侧的倾转旋翼2的第一旋翼21的旋转方向保存反向，能够使得机身1翻转；通过调节位于机身1两侧的倾转旋翼2的第一旋翼21的转速能够实现机身1的转向。
进一步地，跨介质航行器的航行方法包括水下滑翔航行方法，水下滑翔航行方法包括：通过压载水调节系统调节压载舱内的水量，使得机身1在水中上浮或下沉，且通过驱动机构改变各刚性翼板31的角度使得机身1在上浮或下沉时与水平面的夹角。水下滑翔航行时主要依靠浮力来驱动机身1前行，对于在较深水域航行的跨介质航行器，启动水下滑翔模式能够极大地增加本实施例的跨介质航行器的续航能力。
本实施例中，跨介质航行器的航行方法包括第二种空中航行方法，第二种空中航行方法包括：启动各倾转旋翼2，将各倾转旋翼2调整至朝上，利用各倾转旋翼2和第二旋翼5驱动机身1航行。具体的，第二中空中航行模式能够使得机身1垂直起降，此时配合调整各倾转旋翼2的转速及转向能够调整机身1在空中的航速和航向。
综上，本发明的跨介质航行器，包括机身1，机身1的两侧均设有倾转旋翼2和朝外延伸的杆体4，各杆体4均转动连接有刚性翼板31，各刚性翼板31的端部均固定有柔性翼片32；驱动机构设置在机身1上，机身1在水中航行时，驱动机构驱动各刚性翼板31上下摆动，刚性翼板31能够带动各柔性翼片32上下摆动，使得各刚性翼板31和各柔性翼片32形成用于驱动机身1在水下航行的扑翼；机身1在空中航行时，各倾转旋翼2均可转动至机身航行方向布置，此时各倾转旋翼2旋转时能够向机身1施加向前的推力，且驱动机构可驱动各刚性翼板31摆动至朝向机身航行的后方布置，以使各刚性翼板31形成向机身1提供升力的机翼。本发明的跨介质航行器在水下航行时，驱动机构能够驱动刚性翼板31往复摆动来驱动机身1航行，刚性翼板31运行时能够与水生物伴游，不会伤害水生物，提高了本发明的跨介质航行器的生物适应性；而且，在空中航行时，能够通过驱动机构改变各刚性翼板31的朝向，使得各刚性翼板31形成为机身1提供升力的机翼，不需要在机身1外侧额外设置固定式机翼，使得跨介质航行器的结构更加紧凑、重量更轻，使得跨介质飞行器的结构冗余度低，从而提高跨介质航行器的续航以及携带能力等综合性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种跨介质航行器，其特征在于，包括：
机身(1)，所述机身(1)的两侧均设有倾转旋翼(2)和朝外延伸的杆体(4)，各所述杆体(4)均转动连接有刚性翼板(31)，各所述刚性翼板(31)的端部均固定有柔性翼片(32)；
驱动机构，所述驱动机构设置在所述机身(1)上，所述驱动机构用于驱动各刚性翼板(31)上下摆动，以使各所述刚性翼板(31)和固定各所述刚性翼板(31)端部的柔性翼片(32)形成驱动所述机身在水下航行的扑翼；各所述倾转旋翼(2)均可转动至朝向所述机身(1)的航行方向布置，且所述驱动机构可驱动各所述刚性翼板(31)摆动至朝向所述机身(1)的航行方向固定布置，以使各所述刚性翼板(31)形成向所述机身(1)提供升力的机翼。
2.根据权利要求1所述的跨介质航行器，其特征在于，各所述刚性翼板(31)的中部分别转动连接在各所述杆体(4)上，各所述柔性翼片(32)分别连接在各所述刚性翼板(31)的第二端；
各所述倾转旋翼(2)均包括第一旋翼(21)和用于调整所述第一旋翼(21)的朝向的倾转机构(22)，各所述第一旋翼(21)分别连接在各所述刚性翼板(31)的第一端。
3.根据权利要求2所述的跨介质航行器，其特征在于，各所述倾转机构(22)均包括旋转驱动装置(221)和固定在所述旋转驱动装置(221)的输出端的摆杆(222)，各所述旋转驱动装置(221)分别固定在各所述杆体(4)远离所述机身(1)的一端，各所述摆杆(222)远离各所述旋转驱动装置(221)的一端分别与各所述刚性翼板(31)的第一端固定。
4.根据权利要求3所述的跨介质航行器，其特征在于，各所述摆杆(222)均包括第一杆状部(2221)和与所述第一杆状部(2221)垂直布置的第二杆状部(2222)，各所述第一杆状部(2221)分别与各所述旋转驱动装置(221)的输出端垂直固定，各所述第二杆状部(2222)均向靠近所述机身(1)的方向延伸，各所述第一旋翼(21)分别固定在各所述第二杆状部(2222)的中部，各所述第二杆状部(2222)远离各所述第一杆状部(2221)的一端分别与各所述刚性翼板(31)的第一端固定。
5.根据权利要求1所述的跨介质航行器，其特征在于，所述机身(1)的尾部固定有朝上布置的第二旋翼(5)。
6.根据权利要求1所述的跨介质航行器，其特征在于，所述机身(1)的头部或所述机身(1)的尾部设有压载水舱(6)，所述机身(1)还设有用于向所述压载水舱(6)中通水或抽水的压载水调节系统。
7.一种权利要求1至6任一项所述的跨介质航行器的航行方法，其特征在于，包括水下伴游航行方法和第一种空中航行方法：
所述水下伴游航行方法用于同水生物伴游，所述水下伴游航行方法包括,关闭各倾转旋翼(2)，利用驱动机构驱动刚性翼板(31)上下摆动；
所述第一种空中航行方法包括，将各所述倾转旋翼(2)转动至朝向机身(1)前方，启动各所述倾转旋翼(2)，以使各所述倾转旋翼(2)向机身(1)施加向前的推力；利用驱动机构将各所述刚性翼板(31)驱动至朝向所述机身(1)后方，以使各所述刚性翼板(31)向所述机身(1)提供升力。
8.根据权利要求7所述的跨介质航行器的航行方法，其特征在于，所述跨介质航行器的航行方法包括水下矢量航行方法，所述水下矢量航行方法包括：启动各所述倾转旋翼(2)，通过控制各所述倾转旋翼(2)的转速和朝向，改变所述机身(1)的航向和航速。
9.根据权利要求7所述的跨介质航行器的航行方法，其特征在于，所述跨介质航行器的航行方法包括水下滑翔航行方法，所述水下滑翔航行方法包括：通过压载水调节系统调节所述压载舱内的水量，使得所述机身(1)在水中上浮或下沉，且通过所述驱动机构改变各所述刚性翼板(31)的角度使得所述机身(1)在上浮或下沉时与水平面的夹角。
10.根据权利要求7所述的跨介质航行器的航行方法，其特征在于，所述跨介质航行器的航行方法包括第二种空中航行方法，所述第二种空中航行方法包括：启动各所述倾转旋翼(2)，将各所述倾转旋翼(2)调整至朝上，利用各所述倾转旋翼(2)和第二旋翼(5)驱动所述机身(1)航行。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311415476.7A CN117360130A (zh) | 2023-10-27 | 2023-10-27 | 一种跨介质航行器及其航行方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311415476.7A CN117360130A (zh) | 2023-10-27 | 2023-10-27 | 一种跨介质航行器及其航行方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117360130A true CN117360130A (zh) | 2024-01-09 |
Family
ID=89402071
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| CN202311415476.7A Pending CN117360130A (zh) | 2023-10-27 | 2023-10-27 | 一种跨介质航行器及其航行方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117784822A (zh) * | 2024-02-27 | 2024-03-29 | 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 | 飞行器水面倾覆回正方法及回正控制系统 |
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2023
- 2023-10-27 CN CN202311415476.7A patent/CN117360130A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117784822A (zh) * | 2024-02-27 | 2024-03-29 | 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 | 飞行器水面倾覆回正方法及回正控制系统 |
| CN117784822B (zh) * | 2024-02-27 | 2024-04-26 | 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 | 飞行器水面倾覆回正方法及回正控制系统 |
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