新型跨介质无人航行器制造技术

本发明专利技术涉及一种新型跨介质无人航行器，包括机体

【技术实现步骤摘要】
新型跨介质无人航行器


[0001]本专利技术涉及跨介质航行器
，更具体地说，涉及一种新型跨介质无人航行器
。

技术介绍

[0002]随着时代发展，跨介质航行器因同时具备水中潜航的隐蔽性和空中飞行的快速机动性；用途也具备极大的开发空间，如搜救
、
水下勘探
、
地质探测等
。
跨介质航行器虽然具备多种优点
、
用途广泛，但其设计具有一定难度
。
航行器在进行介质跨越时，涉及瞬态气
‑
液
‑
固三相间的能量
、
质量耦合，气
/
水
/
固交界面处作用时间短
、
变化快，航行器外部动力环境发生急剧变化，这些复杂因素与航行器运动产生相互作用，易造成结构的损坏
。
由于空气与水两者物理性质上的显著差异
(
水的密度是空气的
800
多倍
)
，航行器在空飞和潜航时的运动特性迥异，可以兼顾两者的流体动力外形
、
推进系统设计难度大
。
[0003]目前，跨介质航行器设计领域中，较成熟的设计为“潜射型”跨介质航行器，如美国的“鸬鹚”和
XFC
潜射无人机，这种跨介质航行器放弃了水下的潜行能力，由外部发射装置或自身动力装置完成单次的由水入空介质跨越，这种设计只搭载一套固定翼空飞动力装置，不考虑航行器的水下自主航行，避免了上述的设计难点，但其不具备自主潜航能力和反复跨介质能力，限制了这种设计的使用范围
。
也有一些采用旋翼的设计，如米纳斯联邦大学和南里奥兰德联邦大学研究的
HUAUV
飞行器，旋翼可使航行器以安全速度接触水面，解决了跨介质过程中航行器结构的安全问题，但这种设计外形与旋翼无人机相似，没有经过流线型的流体动力优化设计，潜航时受到水阻力较大，潜航性能受到制约；旋翼布置在航行器主体外部，这使得航行器在潜行时，旋翼没有受到很好的保护，容易受到外部因素的影响
。
[0004]近年来仿生学的应用越来越广泛
。
经历数百万年进化，自然界生物具有优异的结构
、
功能
、
能量转换
、
信息传递等特征
。
采用仿生学进行跨介质器设计将会带来以下优势：
(1)
可通过分析生物的外形及结构特征，获得优良的流体动力性能外形
。(2)
模仿水下生物推进方式，利用其与海洋背景噪声相近的特性，增强航行器潜航隐蔽性
。
虽然经过近百年的发展，跨介质航行器出现了采用固定翼和旋翼的设计，但仍主要存在以下问题
:
现有的跨介质航行器中，采用固定翼设计的，在跨介质过程中速度较大，气
/
水
/
固交界面处作用时间短
、
变化快，外部动力环境发生急剧变化，这些复杂因素导致其寿命及反复跨界能力受到严重影响
。
实际使用中，固定翼型只能完成由水入空的单次
、
单向介质跨越，不具备反复跨介质能力，这不仅增加了其使用成本，增加航行器的回收难度，也大大限制了其使用场景
。
[0005]为了使航行器具备反复跨介质能力，要求航行器采用软性跨介质过程，即在介质过渡过程中保持安全速度
、
姿态，避免外部环境载荷导致的航行器结构破坏
。
现有的跨介质航行器中，采用旋翼设计的，外形与旋翼无人机相似，没有经过流线型的流体动力优化设计，潜航时受到水阻力较大，潜航性能受到制约；同时，旋翼布置在航行器主体外部，这使得航行器在潜行时，旋翼没有受到很好的保护，容易受到外部因素的影响
。
专利
(CN113320676B)
中的跨介质飞行器，同时采用了一套旋翼同时作为空飞和潜航的动力装
置
。
而且根据升力公式
L
＝
C
l
ρ
v2S/2
可知，由于水的密度是空气的
800
多倍，一套旋翼难以同时适用于空飞和潜航
。
此外，此飞行器外形不具备流线型特征，潜航时的阻力性能将受到影响
。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题在于，提供一种新型跨介质无人航行器，其能够避免外部环境载荷突变对整体结构的破坏，使其具备反复跨介质能力，提升航行器在水中的潜航性能和隐蔽性
。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种新型跨介质无人航行器，包括机体
、
仿生鳍
、
旋翼支架
、
旋翼
、
记忆合金
、
旋翼发动机和仿生鳍控制器；所述机体左右两侧设置有仿生鳍，所述仿生鳍内部设置有记忆合金，所述机体中部设置有旋翼支架，所述旋翼支架采用纵向串列双旋翼布局设置在机体上，所述旋翼支架上固定设置有旋翼，所述机体内部设置有旋翼发动机和仿生鳍控制器，所述旋翼发动机设置在机体内部且靠近右侧的仿生鳍处，所述仿生鳍控制器设置在机体内且靠近右侧的仿生鳍处
。
[0008]按上述方案，所述机体为仿蝠鲼外形流线型设计机体，所述仿生鳍为蝠鲼胸鳍仿生鳍，所述记忆合金为
TiNi
形状记忆合金
。
[0009]按上述方案，所述机体上设置有涵道，所述旋翼支架设置在涵道内
。
[0010]按上述方案，所述机体内设置有燃油舱和压载水舱，所述燃油舱用于储藏旋翼发动机所需的燃油；所述压载水舱用于控制航行器在水中的下潜与上浮
。
[0011]按上述方案，所述仿生鳍由柔性硅胶材料制成
。
[0012]按上述方案，所述仿生鳍控制器包括电池
、
控制单元和收送单元，所述电池用于为控制单元和收送单元供电；所述收送单元收到外界控制信号后，将信号送到控制单元，所述控制单元可对记忆金属进行通电
、
断电
。
[0013]按上述方案，所述仿生鳍前缘根部为原点，所述仿生鳍前缘为
x
轴，垂直向上为
y
轴，所述记忆合金的摆动周期性方程如下：
[0014][0015]其中，
L
为仿生鳍前缘长度，
ω
为仿生鳍摆动角频率，
t
为时间
。
[0016]按上述方案，所述旋翼支架内部设置传动轴，所述旋翼发动机与旋翼之间通过传动轴传递动力
。
[0017]实施本专利技术的新型跨介质无人航行器，具有以下有益效果：
[0018]1、
本专利技术采用了仿生学设计，使用了仿蝠鲼的扁平状机体构型，具有较好的阻力性能；
[0019]2、
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种新型跨介质无人航行器，其特征在于，包括机体
、
仿生鳍
、
旋翼支架
、
旋翼
、
记忆合金
、
旋翼发动机和仿生鳍控制器；所述机体左右两侧设置有仿生鳍，所述仿生鳍内部设置有记忆合金，所述机体中部设置有旋翼支架，所述旋翼支架采用纵向串列双旋翼布局设置在机体上，所述旋翼支架上固定设置有旋翼，所述机体内部设置有旋翼发动机和仿生鳍控制器，所述旋翼发动机设置在机体内部且靠近右侧的仿生鳍处，所述仿生鳍控制器设置在机体内且靠近右侧的仿生鳍处
。2.
根据权利要求1所述的新型跨介质无人航行器，其特征在于，所述机体为仿蝠鲼外形流线型设计机体，所述仿生鳍为蝠鲼胸鳍仿生鳍，所述记忆合金为
TiNi
形状记忆合金
。3.
根据权利要求1所述的新型跨介质无人航行器，其特征在于，所述机体上设置有涵道，所述旋翼支架设置在涵道内
。4.
根据权利要求1所述的新型跨介质无人航行器，其特征在于，所述机体内设置有燃油舱和压载水舱，所述燃油舱用于储藏旋翼发动机所需的燃油；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，封少雄，裴志勇，刘斌，苗洋，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：