CN118238987A - 跨介质飞行器及其降落入水、出水起飞方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及跨介质飞行器技术领域，提供跨介质飞行器及其降落入水、出水起飞方法。跨介质飞行器包括机身、机翼、旋转轴、轴承、机翼固定锁和机翼复位辅助装置。旋转轴沿垂直于机翼的弦线的方向贯穿机身，机翼固定安装于旋转轴上，且旋转轴与机翼的连接部位靠近机翼的前缘。轴承固定安装在机身上，旋转轴与轴承铰接。机翼固定锁设置于机身上，机翼具有固定状态和释放状态。机翼复位辅助装置设置于机身上，机翼复位辅助装置能够驱动处于释放状态的机翼运动以与机翼固定锁耦接。本发明通过设置具有释放状态的机翼，可避免机翼大迎角状态下飞行发生失速等不稳定现象。

Description

跨介质飞行器及其降落入水、出水起飞方法

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及其降落入水方法和出水起飞方法。

背景技术

水空跨介质飞行器是一种可以在水中航行和空中飞行并能自由实现水空介质跨越的新概念航行器。跨介质飞行器结合了无人机的高机动性和水下航行器的高隐蔽性，具备传统无人机无法比拟的优势。在民用方面，跨介质飞行器可应用于海上搜救、水质检测、水下生物观测、气象预报特和特殊任务执行等使命；在军用领域，跨介质飞行器可以用于军事侦察、情报收集、通信中继、电子战等方面。

跨介质飞行器的主要工作模态为空中航行和水下潜行，在完成任务指令后，跨介质飞行器通常在水中漂浮待命，等待下一个任务指令。受限于动力续航因素，飞行器在动力耗尽前需要返航，难以实现长时间海洋监测等任务，航程、航时和作业时间都受到了较大限制。另外，现有的跨介质飞行器在从空中入水的过程中，通过整机倾斜增大迎角的方式入水，其存在的问题为：机翼大迎角状态下飞行会发生失速等不稳定现象。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种跨介质飞行器及其降落入水方法和出水起飞方法。

一种跨介质飞行器，包括机身、机翼、旋转轴、轴承、机翼固定锁和机翼复位辅助装置。旋转轴沿垂直于机翼的弦线的方向贯穿机身，机翼固定安装于旋转轴上，且旋转轴与机翼的连接部位靠近机翼的前缘。轴承固定安装在机身上，旋转轴与轴承铰接。机翼固定锁设置于机身上，机翼具有固定状态和释放状态；当机翼呈固定状态时，机翼固定锁与机翼耦接；当机翼呈释放状态时，机翼固定锁与机翼脱离耦接。机翼复位辅助装置设置于机身上，机翼复位辅助装置被构造成能够驱动处于释放状态的机翼运动以与机翼固定锁耦接。

在一些实施方式种，机翼复位辅助装置被构造成包括收放绳和电动收绳器；电动收绳器固定设置于机身的内部；收放绳的一端连接至机翼，另一端连接至电动收绳器。

进一步地，跨介质飞行器还包括设置于机身内部的电源及控制系统、发电机、固定连杆、运动连杆、活塞杆和液压缸。固定连杆固定连接于旋转轴，固定连杆、运动连杆和活塞杆依次铰接，活塞杆耦接至液压缸，液压缸耦接至发电机，发电机与电源及控制系统电连接。

优选地，机翼固定锁的设置位置为：当机翼处于固定状态时，机翼固定锁耦接于机翼的翼根的尾缘。优选地，机翼固定锁被构造成电磁锁。

在另一些实施方式种，跨介质飞行器还包括电源及控制系统；机翼复位辅助装置被构造成直驱电机，直驱电机的输出轴可伸缩地耦接至机翼，直驱电机与电源及控制系统电连接。

进一步地，跨介质飞行器的头部设有空气螺旋桨，尾部设有水下螺旋桨。

前述跨介质飞行器的降落入水方法，包括步骤：使机翼固定锁解除对机翼的固定限制，机翼从固定状态转变为释放状态；使机身绕旋转轴转动至机身的头部上扬，使得入水时机身的尾部先行着水。

在一些实施方式种，跨介质飞行器的重心位于旋转轴的后方，机身在重力作用下自动地绕旋转轴转动。

前述跨介质飞行器的出水起飞方法，出水之前的跨介质飞行器处于水面漂浮状态，机翼处于释放状态，出水起飞方法包括：启动空气螺旋桨和/或水下螺旋桨转动，为跨介质飞行器提供出水的升力；上升过程中，通过气动力和机翼复位辅助装置驱动机翼绕旋转轴转动至与机翼固定锁耦接，机翼从释放状态转变为固定状态。

本公开的特点及优点包括：

本发明的跨介质飞行器，通过设置具有释放状态的机翼，入水时可实现仅机身发生旋转，机翼的迎角不发生明显变化，可避免机翼大迎角状态下飞行发生失速等不稳定现象；通过设置具有释放状态的机翼、旋转轴和发电系统，当在水面漂浮时，可以通过波浪拍打机翼运动将波浪能转换成电能，提高飞行器的续航能力和工作时长。

本发明的跨介质飞行器的降落入水方法，使机翼呈释放状态仅机身旋转，机翼的迎角基本不变，避免了机翼大迎角状态下飞行发生失速等不稳定现象；机身尾部先行着水，有助于保持飞行器的稳定性和平衡性；着水部位固定，便于针对性地对机身尾部进行结构加强处理，提升整机的安全性。

本发明的跨介质飞行器的出水起飞方法，起飞之前机翼处于释放状态，飞行器先在水面漂浮状态下通过波浪拍打机翼运动将机械能转变成电能，再调节机翼至固定状态出水，可以提高飞行器的空中续航工作时间。跨介质飞行器在出水前处于水上漂浮状态，机头及空气螺旋桨在空中，机尾及水下螺旋桨在水下，且机体轴线方向与水面近似于垂直。在出水时，空气螺旋桨与水下螺旋桨同时旋转，推进飞行器机体垂直出水。该出水方式的有益效果包括：1）螺旋桨在适应的作业环境中转动，能发挥最佳功率，避免了空气螺旋桨近水面转动时水浪对螺旋桨带来的功率损失。2）出水姿态为垂直出水，推力与重力方向相反，且水面润湿面积低，出水效率高。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明的跨介质飞行器的内部结构示意图，其中机翼处于固定状态；

图2示出了本发明的跨介质飞行器的内部结构示意图，其中机翼处于释放状态；

图3示出了本发明的跨介质飞行器在空中航行的状态示意图；

图4示出了本发明的跨介质飞行器降落入水时的状态示意图；

图5示出了本发明的跨介质飞行器在水面漂浮时机翼处于释放状态的示意图；

图6示出了本发明的跨介质飞行器出水起飞时的状态示意图。

附图标记说明：

10-机身；20-机翼，202-前缘，204-尾缘，206-翼根，22-机翼固定锁，24-收放绳，26-电动收绳器；32-旋转轴，34-轴承；40-发电机，42-固定连杆，44-运动连杆，46-活塞杆，48-液压缸；50-电源及控制系统；62-空气螺旋桨，64-水下螺旋桨；70-机翼复位辅助装置。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

一方面，参考图1和图2，本发明提供一种跨介质飞行器。跨介质飞行器包括机身10、机翼20、旋转轴32、轴承34、机翼固定锁22和机翼复位辅助装置70。旋转轴32沿垂直于机翼20的弦线的方向贯穿机身10。机翼20固定安装于旋转轴32上。在一些实施例中，旋转轴32的两个端部凸出于机身10的外侧，机翼20固定安装于位于机身10的外侧的旋转轴32上。在一些实施例中，旋转轴32与机翼20的连接部位靠近机翼20的前缘202。轴承34固定安装在机身10上，旋转轴32与轴承34铰接。机翼固定锁22设置于机身10上，机翼20具有固定状态和释放状态。当机翼20呈固定状态时，机翼固定锁22与机翼20耦接。当机翼20呈释放状态时，机翼固定锁22与机翼20脱离耦接，机翼20可相对于机身10（机身保持不动）转动，或机身10可相对于机翼20（机翼保持不动）转动。机翼复位辅助装置70设置于机身10上，机翼复位辅助装置70被构造成能够驱动处于释放状态的机翼20运动以与机翼固定锁22耦接。机翼20的形状不受限制，可以为矩形翼、梯形翼、三角翼、后掠翼等。

可选地，机翼固定锁22是可控开与关的锁紧装置。可选地，机翼固定锁22与机翼20的耦接方式可以是电磁吸合或者束缚接合等。可选地，机翼固定锁22的解锁方式（解除耦接）可以是去电不吸合或松绑脱离耦合。

示例地，参考图1，在一些具体的实施例中，机翼固定锁22是电磁锁（为简化图示，图中以抵挡件示意），机翼固定锁22与机翼20的耦接方式采用电磁吸合方式耦接。具体地，当需要固定机翼20时，先通过拉紧绳索（收放绳24）将机翼20牵引至机翼固定锁22的吸合距离范围之内，例如至靠近机翼固定锁22所在的位置，然后使机翼固定锁22上电吸合住机翼20。当需要释放机翼20时，放松绳索（收放绳24）并且使机翼固定锁22掉电，解除机翼固定锁22对机翼20的束缚，使机翼20与机翼固定锁22脱离耦接。

本发明提供的跨介质飞行器，当机翼20处于释放状态时，如果机翼20受到外力作用（例如受到波浪的冲击拍打），机翼20会带动旋转轴32一起转动。如果机翼20处于固定状态，或者处于释放状态但未受到外力作用或在空中飞行时的机翼受到的升力与机翼自身重力相互抵消时，机翼20和旋转轴32一起保持固定。

本发明提供的跨介质飞行器，当机翼20处于释放状态时，当作用在机翼20上的力相互抵消时，机翼20保持不动（例如空中飞行时的空气对机翼的升力与机翼自身重力抵消时，机翼的迎角保持不变）。在机翼保持不动时，当机身10受到外力作用时或机身在自身重力作用下，机身10可绕旋转轴32发生转动。例如，当机身10的头部受到向上的作用力或尾部受到向下的作用力时，可驱动机身10绕旋转轴32转动，使得机身10的头部上扬、尾部下沉。当机身10的中心位于旋转轴的后方时，机身10在自身重力作用下可绕旋转轴32转动，使得机身10的头部上扬、尾部下沉。

可选地，参考图1和图2，机翼复位辅助装置70被构造成包括收放绳24和电动收绳器26。电动收绳器26固定设置于机身10的内部，收放绳24的一端连接至机翼20，另一端连接至电动收绳器26。其中，电动收绳器26可以使用电池作为电源，也可以与飞行器自身的电源及控制系统50（后文介绍）电连接获取电源。在这种具体的实施方式中，机翼复位辅助装置70能够有效辅助机翼固定锁22实现机翼20从释放状态转变为固定状态。另外，机翼20通过旋转轴32、机翼固定锁22和收放绳24三种途径与机身10连接，确保了机翼20在两种状态下的工作的稳定性。

进一步地，当机翼复位辅助装置70被构造成包括收放绳24和电动收绳器26时，电磁吸合式的机翼固定锁22的设置位置为：当机翼20处于固定状态时，机翼固定锁22耦接于机翼20的翼根206的尾缘204。

可选地，机翼复位辅助装置70被构造成直驱电机，直驱电机的输出轴可伸缩地与机翼20耦接。当处于释放状态的机翼20需要复位固定时，直驱电机的输出轴伸长抵接至机翼20并推动机翼20旋转运动；待机翼20运动到与机翼固定锁22耦接固定后，收缩直驱电机的输出轴至初始位置。

继续参考图1和图2，本发明的跨介质飞行器还包括设置于机身10内部的电源及控制系统50和发电系统，发电系统与电源及控制系统50电连接。示例地，发电系统包括发电机40、固定连杆42、运动连杆44、活塞杆46和液压缸48。固定连杆42固定连接于旋转轴32，固定连杆42、运动连杆44和活塞杆46依次铰接，活塞杆46耦接至液压缸48，液压缸48耦接至发电机40，发电机40与电源及控制系统50电连接。其中，电源及控制系统50包括电源和控制系统两个主要部分，电源用于为飞行器的各处用电模块提供能量，控制系统用于为飞行器的各功能部件发送控制指令或从其接收上传数据。

根据本发明提供的跨介质飞行器，可以使波浪能先转换成机械能，然后进一步转换成电能，使得飞行器在海面执行海洋监测任务的同时也在补充电能，延长飞行器的续航时间和工作时长。参考图2和图5，当飞行器在海面上漂浮时，可以通过调控飞行器的重心和浮心，使机身10大体呈竖直状态，机翼20未受到波浪拍打时大体呈水平状态。通过使机翼20处于释放状态，机翼20受到海浪的拍打绕旋转轴32转动同时带动旋转轴32自身转动（波浪能转机械能）。旋转轴32与发电系统中的固定连杆42连接，旋转轴32的机械运动传递到发电系统，机械能转换成电能。在一些实施例中，发电机40为直线发电机或磁流体发电机，可获取的能量直接转化为电能，无复杂的中间转换环节。在另一些实施例中，机翼20的表面还设有光伏发电板，以提升发电效率。

可选地，发电系统还可以是类似海浪驱动水轮机、空气压缩机、机械传动系统等形式的发电装置。本发电系统的核心目的在于将波浪能转换为电能，其中涉及的机械能、液压能、水势能和空气能均为能量的中间过渡形式。

本发明的跨介质飞行器，通过设置具有释放状态的机翼，入水时可实现仅机身发生旋转，机翼的迎角不发生明显变化，可避免机翼大迎角状态下飞行发生失速等不稳定现象；通过设置具有释放状态的机翼、旋转轴和发电系统，当在飞行器在水面漂浮时，可以通过波浪拍打机翼运动将波浪能转换成电能，提高飞行器的续航能力和工作时长。

进一步地，参考图3至图6，在一些实施例中，本发明提供的跨介质飞行器，头部设有空气螺旋桨62，尾部设有水下螺旋桨64。当飞行器在空中飞行时，空气螺旋桨62为飞行器提供动力；当飞行器在水中航行时，水下螺旋桨64为飞行器提供动力。当飞行器出水起飞时，空气螺旋桨62空气螺旋桨62用于在空中为跨介质飞行器提供向上的升力，水下螺旋桨64用于在水下为跨介质飞行器提供向上的升力。可选地，空气螺旋桨62可以用航空发动机替代，水下螺旋桨64可以用射流推进器或水下助推器替代。

在一些实施例中，本发明提供的跨介质飞行器，还包括浮力调节系统，可选地，浮力调节系统包括设置在机身10的头部或尾部的气囊，或设置在机身10上的压载水舱。浮力调节系统用于调控飞行器在水面漂浮状态下的浮力，或者通过浮力调节控制飞行器在水下的运动。

另一方面，参考图3和图4，本发明提供一种跨介质飞行器的降落入水方法。飞行器空中平飞时，机翼20呈固定状态，机身10平行于水平面。根据本发明提供的跨介质飞行器的降落入水方法，包括步骤：使机翼固定锁解除对机翼的固定限制，机翼从固定状态转变为释放状态；然后使机身绕旋转轴转动至机身10的头部上扬，使得如水时机身的尾部先行着水。在一些实施例中，跨介质飞行器的重心位于旋转轴32的后方，机翼20解锁后，机身10在重力作用下自动地绕旋转轴32转动，运动方向为尾部下沉，头部上扬。可选地，电源及控制系统50中的控制系统差动控制机身的头部和机身的尾部的受力，使机身10被动地绕旋转轴32转动。

本发明的跨介质飞行器的降落入水方法，使机翼呈释放状态后仅机身旋转，机翼的迎角基本不变（机翼受到的升力可抵消其自身的重力），避免了机翼大迎角状态飞行下发生失速等不稳定现象；机身尾部先行着水，有助于保持飞行器的稳定性和平衡性；着水部位固定，便于针对性地对机身尾部进行结构加强处理，提升整机的安全性。

进一步地，在机身的尾部入水之后，通过调节飞行器自身的浮力系统，使飞行器的姿态调整为机身头尾连线基本垂直于水平面（参见图5），机翼的弦线与水平面基本平行。飞行器漂浮在水面上，机翼呈释放状态，机翼受海浪拍打可为飞行器发电，为后续的水下工作或空中工作储备足够的电能。

再一方面，参考图5和图6，本发明还提供一种跨介质飞行器的出水起飞方法。出水之前的跨介质飞行器处于水面漂浮状态，机翼20处于释放状态，出水起飞方法包括：启动空气螺旋桨62和/或水下螺旋桨64转动，为跨介质飞行器提供出水的升力；上升过程中，通过机翼复位辅助装置70和气动力驱动机翼20绕旋转轴32转动至机翼20的弦长方向与机身10的轴向平行，机翼20与机翼固定锁22耦接，机翼固定锁22锁定机翼20，机翼20从释放状态转变为固定状态。本发明的跨介质飞行器的出水起飞方法，起飞之前机翼处于释放状态，飞行器先启动空气螺旋桨62和/或水下螺旋桨64为飞行器提供升力，在上升过程中，在机翼复位辅助装置70和气动力的双重作用下，机翼20可快速运动至机翼固定锁22的限位位置，机翼20被锁定后，飞行器完成从水下到空中的模态切换。

进一步地，在跨介质飞行器的机身的尾部远离水面之后，水下螺旋桨64停止转动，依靠空气螺旋桨62提供飞行动力。然后，通过尾翼、升降舵和方向舵等常规的飞行器部件调节飞行姿态至水平飞行。

以上所述仅为本公开的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本公开实施例进行各种改动或变型而不脱离本公开的精神和范围。

Claims (10)

1.一种跨介质飞行器，其特征在于，包括：机身（10）、机翼（20）、旋转轴（32）、轴承（34）、机翼固定锁（22）和机翼复位辅助装置（70）；

所述旋转轴（32）沿垂直于所述机翼（20）的弦线的方向贯穿所述机身（10），所述机翼（20）固定安装于旋转轴（32）上，且所述旋转轴（32）与所述机翼（20）的连接部位靠近所述机翼（20）的前缘（202）；

所述轴承（34）固定安装在所述机身（10）上，所述旋转轴（32）与所述轴承（34）铰接；

所述机翼固定锁（22）设置于所述机身（10）上，所述机翼（20）具有固定状态和释放状态；当所述机翼（20）呈固定状态时，所述机翼固定锁（22）与所述机翼（20）耦接；当所述机翼（20）呈释放状态时，所述机翼固定锁（22）与所述机翼（20）脱离耦接；

所述机翼复位辅助装置（70）设置于所述机身（10）上，所述机翼复位辅助装置（70）被构造成能够驱动处于释放状态的机翼（20）运动至与所述机翼固定锁（22）耦接。

2.根据权利要求1所述的跨介质飞行器，其特征在于，所述机翼复位辅助装置（70）被构造成包括收放绳（24）和电动收绳器（26）；所述电动收绳器（26）固定设置于所述机身（10）的内部；所述收放绳（24）的一端连接至所述机翼（20），另一端连接至所述电动收绳器（26）。

3.根据权利要求2所述的跨介质飞行器，其特征在于，还包括设置于所述机身（10）内部的电源及控制系统（50）、发电机（40）、固定连杆（42）、运动连杆（44）、活塞杆（46）和液压缸（48）；

所述固定连杆（42）固定连接于所述旋转轴（32），所述固定连杆（42）、运动连杆（44）和活塞杆（46）依次铰接，所述活塞杆（46）耦接至所述液压缸（48），所述液压缸（48）耦接至所述发电机（40），所述发电机（40）与所述电源及控制系统（50）电连接。

4.根据权利要求3所述的跨介质飞行器，其特征在于，所述机翼固定锁（22）的设置位置为：当机翼（20）处于固定状态时，机翼固定锁（22）耦接于机翼（20）的翼根（206）的尾缘（204）。

5.根据权利要求4所述的跨介质飞行器，其特征在于，所述机翼固定锁（22）被构造成电磁锁。

6.根据权利要求1所述的跨介质飞行器，其特征在于，还包括电源及控制系统（50）；所述机翼复位辅助装置（70）为直驱电机，所述直驱电机的输出轴可伸缩地耦接至所述机翼（20），所述直驱电机与所述电源及控制系统（50）电连接。

7.根据权利要求1~6任一项所述的跨介质飞行器，其特征在于，所述跨介质飞行器的头部设有空气螺旋桨（62），尾部设有水下螺旋桨（64）。

8.一种如权利要求7所述的跨介质飞行器的降落入水方法，其特征在于，包括步骤：

使所述机翼固定锁（22）解除对所述机翼（20）的固定限制，机翼（20）从固定状态转变为释放状态；和

使所述机身（10）绕旋转轴（32）转动至机身（10）的头部上扬，使得入水时机身（10）的尾部先行着水。

9.如权利要求8所述的降落入水方法，其特征在于，所述跨介质飞行器的重心位于所述旋转轴（32）的后方，所述机身（10）在重力作用下自动地绕旋转轴（32）转动。

10.一种如权利要求7所述的跨介质飞行器的出水起飞方法，其特征在于，出水之前的所述跨介质飞行器处于水面漂浮状态，所述机翼（20）处于释放状态，所述出水起飞方法包括：

启动空气螺旋桨（62）和/或水下螺旋桨（64）转动，为所述跨介质飞行器提供出水的升力；以及

上升过程中，通过气动力和所述机翼复位辅助装置（70）驱动所述机翼（20）绕旋转轴（32）转动至与所述机翼固定锁（22）耦接，所述机翼（20）从释放状态转变为固定状态。