CN105836124A - 一种无人驾驶潜水飞行器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无人驾驶潜水飞行器，包括机身、可以绕机体横向及纵向旋转的可收放机翼、发动机、推进螺旋桨、水下动力电机、储能系统、水下方向舵、可收放充排水浮筒。本发明的有益效果在于：机翼展开，为飞行提供升力，机翼收置于机身两侧，其展向与机身轴线平行，减小水中航行阻力；浮筒充水、排水，调节飞行器密度，使其进入水中或浮出水面，浮筒展开，可增加水面滑行抗浪性，浮筒收起，可减小阻力；发动机为空中推进提供动力，同时为蓄电池充电，水下航行时，蓄电池为电机供电，驱动水下推进螺旋桨；穿越水、空介质时，发动力、电机随之切换。本发明适应水、空介质使用要求，并可在水中航行、空中飞行两状态间多次切换。

Description

一种无人驾驶潜水飞行器

技术领域

本发明涉及航空器技术领域，特别涉及一种无人驾驶潜水飞行器，该飞行器通过可旋转收放机翼、可收放充排水浮筒技术与两套动力系统的应用，可以实现水、空两种介质环境下的飞行、航行。

背景技术

潜水飞行器作为一种可以跨越水、空两种介质的飞行器，在20世纪三十年代就引起了研究者的关注，但是受限于诸多技术条件，潜水飞行器的研制直到二十世纪结束都没有成功。2008年，美国国防部高级研究计划局为潜水飞行器提出了一系列具有挑战性的指标，包括可以在空中飞行以及可以在水中潜航。从2008年到2011年，美国国防部高级研究计划局在全球范围内广泛征集潜水飞机的可行方案。然而很少有机构或个人提交可行的方案，因此该计划被迫于2011年终止。近年来，美国计划研制“鸬鹚”潜射无人机。国内北京航空航天大学的梁建宏团队研制成功了“鲣鸟”无人机，并进行了飞行实验。“鸬鹚”潜射无人机从潜艇发射，在水下由火箭推动航行，飞出水中后启动涡扇发动机，执行完任务之后，落在水面上，等待回收。“鸬鹚”潜射无人机不能二次进入水中，并从水中二次升空，每次任务的任务包线是从水中到空中单向不可逆的过程。“鲣鸟”无人机可以实现水、空介质的多次转换。无人驾驶潜水飞行器可以作为水、空航拍探测的平台，也可以借助跨介质飞行的特点，成为具有优良海上突防能力的先进武器平台，具有很高的研究价值。无人驾驶潜水飞行器要适应水、空两种介质下的飞行、航行。在空中飞行，需要提供足够升力的机翼，在水中航行时水的密度远大于空气，需要尽量通过外形的设计，减小航行阻力。在空中飞行，要求机体尽可能轻，在水中潜航，需要机体密度接近于水。飞行器还需要具备可以分别在空中、水中使用的动力系统。此外，飞行器的结构需要承受一定的水压。飞行器的尾翼需要提供合适的力矩，操控飞行器在空中飞行、水中航行。综合权衡各种技术问题，是无人驾驶潜水飞行器走向实践的必要条件。

与目前的潜水飞行器相比，本无人驾驶潜水飞行器可以多次穿越水空介质，其机翼收放方式不同于目前的潜水飞行器，由于机翼收起后机体外形更接近于流线型，故而在水下航行阶段具有较小的阻力。本无人驾驶潜水飞行器采用了两个可收放充排水浮筒，当飞行器漂浮在水面上时，这两个浮筒展开，可提供横向稳定力矩，使飞行器具有一定抗浪性，适合复杂海况下的应用。此外，本无人驾驶潜水飞行器，可以通过浮筒的充水和排水，调节自身密度变化，使飞行器进入水中或浮上水面，完成航行介质转换过程。

发明内容

本发明目的在于解决飞行器在水、空两种介质中往复飞行的问题。本发明采用了可旋转收放机翼、可收放充水排水浮筒、水空两套动力系统等技术，使这种无人驾驶潜水飞行器能够在空中飞行、在水中航行，并能够在两种状态下多次切换。

为解决上述问题，本发明通过以下技术方案实现：一种无人驾驶潜水飞行器，包括水滴型形状机身、可以绕机体横向及纵向旋转的可收放机翼、可收放充排水浮筒、发动机、空中推进螺旋桨、水下推进螺旋桨、储能系统、水下动力电机、V型尾翼、水下方向舵。水滴形状机身可以使水下航行状态的阻力较小。可收放机翼提供空中状态足够的升力，又可使水下航行阻力较小。可收放充排水浮筒可增加飞行器水面滑行抗浪性，还能调节飞行器密度，使其进出水、空两种介质。发动机在空中使用时为蓄电池充电，可以提高水下航行的续航时间。V型尾翼、水下方向舵，为飞行器操纵提供了足够的力矩。综合起来，使得本发明可以多次进出水、空介质，在空中飞行、水面滑行、水下航行状态都具有较好的性能。

本发明所述水滴型形状机身，机身头部为流线型头部，中段机身背部为流线型，腹部两侧对称设置两个凹舱，用于放置可收放充排水浮筒以及安装收放浮筒的作动筒。机身尾段腹部上翘，上翘尾部可以减小水面起飞滑行过程中的阻力。

本发明所述可以绕机体横向及纵向旋转的可收放机翼，安装在机身中部，属于中单翼。整个机翼分为三段，中段是中央翼盒，安装在机身内部。其余两段是外段机翼，暴露在机身两侧。中央翼盒中安装有第一收放装置，可以驱动外段机翼绕机翼横轴旋转90度，从水平状态旋转到竖直状态。两侧外段机翼与中央翼盒衔接处，安装第二收放装置，可以驱动两侧外段机翼绕纵向旋转90度，从而使机翼展向与机身轴线平行。可收放机翼展开时为空中飞行提供足够的升力，收起时使水下航行阻力较小。机翼的外段靠近稍部设置有副翼，通过副翼可以调节飞行器的姿态。

本发明所述可收放充排水浮筒，共有两个，分别放置在机身腹部两侧的凹舱内，通过作动筒与机身相连。作动筒驱动浮筒收起或展开。可收放充排水浮筒头部安装有电磁舱门，需要充水时打开，可使外部水流涌入。其尾部安装有水泵，开有排水孔，需要排水时，利用水泵排水。浮筒内部有通气管道与机身头部的通气口相连，使得充、排水时浮筒内部气压与外部大气压平衡。

本发明所述发动机，安装于机身尾段背部的发动机舱内，与空中推进螺旋桨相连。发动机舱密封防水，发动机的进气孔可以启闭。

本发明所述储能系统，包括燃料储藏箱、蓄电池、输油管道、导线等部件，安装在机身内部靠近机翼的位置。储能系统可以为发动机供给燃料，发动机启动时一方面驱动空中推进螺旋桨，一方面为蓄电池充电。水下动力电机启动时，蓄电池为其供电。

本发明所述水下动力电机，安装于机身尾段腹部。水下推进螺旋桨与该电机相连。螺旋桨外部设置有涵道，涵道末端安装有水下方向舵，该方向舵用于操纵飞行器水面滑行时的方向。

本发明所述V型尾翼，安装于机身尾段背部。该V型尾翼是全动尾翼，在空中水中状态都可以对飞行器的姿态进行操纵调节。

附图说明

图1为本发明一种无人驾驶潜水飞行器的实施例示意图侧视图。

图2为本发明一种无人驾驶潜水飞行器的实施例示意图左视图。

图3为本发明一种无人驾驶潜水飞行器的实施例示意图仰视图。

图4为本发明一种无人驾驶潜水飞行器的实施例机翼收起状态示意图。

图5为本发明一种无人驾驶潜水飞行器的实施例浮筒展开状态示意图。

图6为本发明一种无人驾驶潜水飞行器的实施例可收放充排水浮筒结构示意图侧视图。

图7为本发明一种无人驾驶潜水飞行器的实施例可收放充排水浮筒结构示意图正视图。

图8为本发明一种无人驾驶潜水飞行器的实施例可收放机翼收放机构与右侧外段机翼示意图。

图中标号：1、通气口；2、机身；3、机翼外段；4、副翼；5、V型尾翼；

6、空中推进螺旋桨；7、发动机；8、水下方向舵；9、水下推进螺旋桨；

10、水下动力电机；11、可收放充排水浮筒；12、作动筒；13、通气管道；

14、排水孔；15、水泵；16、电磁舱门；17、第一收放装置；18、第二收放装置；

19、传动装置。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。

本专利最关键的构思在于，引入可以绕机体横向及纵向旋转的可收放机翼，引入可收放充排水浮筒。

请参阅图1至图5，一种无人驾驶潜水飞行器，包括通气口1，机身2，可以绕机体横向及纵向旋转的可收放机翼3，一对副翼4，V型尾翼5，空中推进螺旋桨6，发动机7，水下方向舵8，水下推进螺旋桨9，水下动力电机10，可收放充排水浮筒11，作动筒12。

从上述描述可知，本发明的有益效果在于：可绕机体横向及纵向旋转的可收放机翼，在飞行器空中飞行时使机翼保持平直，为飞行提供足够的升力，在飞行器入水航行时可以最大限度的收起，使机体保持流线型以减小水下航行的阻力。可收放充排水浮筒，当飞行器处于空中飞行、水下航行状态时，可收放充排水浮筒收置于机身腹部两侧凹槽中，使机身保持流线型，减小阻力。当飞行器从空中落向水面时，展开浮筒，飞行器触水后，浮筒增加水面滑行的阻力，加快飞行器减速，使飞行器水面滑行距离更短。飞行器浮在水面上时，浮筒可以提供横向力矩，使飞行器漂浮更稳定，增强其抗浪性，使其在复杂海况下也有适用性。此外，可收放充排水浮筒，电磁舱门打开后，水流涌入浮筒，飞行器密度增加，可以潜入水中。当飞行器需要从水中进入空气中时，先航行靠近水面，使头部通气口1露出水面，之后浮筒内水泵开始工作，排出浮筒中的水，使飞行器密度减小，浮出水面。

从上述描述可知，本发明的V型尾翼5可在空中和水中两种状态使用，调节飞行器的飞行姿态。水下方向舵8可在飞行器于水面滑行、飞行器在水下航行两种状态使用，用于调整飞行器航向姿态。

从上述描述可知，本发明的发动机7，安装在密封的发动机舱内。在飞行器于空中飞行时使用，此时输出动力用于驱动空中推进螺旋桨6，为空中飞行提供动力。在发动机7工作时，可为储能系统中蓄电池充电。当飞行器入水航行时，发动机关闭，发动机进气口关闭。蓄电池放电，为水下电机10供电，驱动水下推进螺旋桨9。

请参阅图5至图7，一种无人驾驶潜水飞行器，包括可收放充排水浮筒11。浮筒内安装有水泵15，水泵15与排水孔14相连，排水孔14通向浮筒外部。通气管道13连接浮筒内部与通气口1。通气管道穿过作动筒12内部、机身2内部，与通气口1相连。浮筒头部设置有电磁舱门16。浮筒通过作动筒12与机身2连接在一起。

从上述描述可知，本发明中可收放充排水浮筒11，在需要充水时打开电磁舱门16，水流涌入浮筒后关闭电磁舱门16。需要排水时启动水泵15，将浮筒内的水经由排水孔14排向外部。通气管道13经由通气口1与外界连通，保证浮筒内外气压平衡，充水和排水顺利。浮筒通过充水、排水，调节飞行器密度，控制其入水、出水。每个浮筒通过两个作动筒12与机身2连接，作动筒12驱动浮筒收置于机身下方腹部凹槽内或展开。浮筒11展开时，浮筒内部无水，飞行器漂浮于水面上，浮筒上的浮力对飞行器机身轴线作用有力矩，飞行器处于横向稳定状态。水面浪涌掀动飞行器，飞行器都可以借助浮筒产生的力矩，回复到横向平衡位置。因此，浮筒展开后，可以提高飞行器水面漂浮的横向稳定性，从而增加飞行器的抗浪性，增加其适应复杂海况的能力。

请参阅图4、图5、图8，一种无人驾驶潜水飞行器，可以绕机体横向及纵向旋转的可收放机翼，包括中央翼盒、机翼外段3、副翼4、第一收放装置17、第二收放装置18、传动装置19。

从上述描述可知，本发明中可绕机体横向及纵向旋转的可收放机翼，其第一收放装置17、传动装置19都安装在中央翼盒内，第二收放装置18安装在中央翼盒与机翼外段3的衔接处。第一收放装置17可驱动机翼外段3绕传动装置19的轴线(飞行器横向)旋转，第二收放装置可以驱动机翼外段3绕竖直轴(纵向)转动，使机翼外段3的展向与机身轴线平行。经过两次旋转，可使机翼外段3从平直展开状态旋转到最终收起位置。同样，逆向过程也可以实施，使机翼外段3从收起位置变化到展开位置。机翼展开时，可以提供空中飞行需要的升力，机翼收起时，可以减小水下航行的阻力。

综上所述，本发明提供的技术方案，使所述一种无人驾驶潜水飞行器可以在空中飞行、在水下航行，同时可以多次穿越水、空介质。可以旋转收放的机翼，展开时提供足够的升力，收起时，使水下航行阻力较小。可收放充排水浮筒，展开时，增加飞行器水面航行抗浪性，收起后减小航行、飞行阻力。两套动力系统，分别为空中、水下行进提供动力。V型尾翼、副翼提供空中飞行时的操纵力矩。水下舵面提供水面航行时的偏航力矩。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的同等变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种无人驾驶潜水飞行器，其特征在于，飞行器由可以旋转收放的机翼、可收放充排水浮筒、水中动力电机、水中推进螺旋桨、发动机、空中推进螺旋桨、V型尾翼、水下方向舵等装置组成。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶潜水飞行器，其特征在于，可以旋转收放的机翼是中单翼，中央翼盒安装在机身中，机身外的部分是位于机身两侧的两段外段机翼。机翼适应于空中飞行、水中航行两种状态。空中飞行时，机翼展开，水平固定，提供升力；潜水航行时，机翼首先由安装在中央翼盒中的第一收放装置驱动，绕机翼横轴旋转至竖直状态，然后由中央翼盒与外段机翼衔接处的第二收放装置驱动，绕纵向旋转至机翼展向与机身轴线平行位置，机翼旋转后收置于机身两侧，可减小水中航行的阻力。

3.根据权利要求1所述的潜水无人飞行器，其特征在于，机身上设置有两个可收放充排水浮筒，浮筒通过可以伸缩的作动筒与机身相连。作动筒可操纵浮筒伸出机身或收置于机身下方凹型舱位中。

4.根据权利要求1所述的潜水无人飞行器，其特征在于，可收放充排水浮筒中设置有电磁舱门、水泵、排水孔、通气管道。通气管道穿过作动筒、机身，并与机身头部顶端的排气口相连。电磁舱门设置于浮筒头部。水泵安装于浮筒内靠近尾部位置。排水孔与水泵相连，通向浮筒外部。

5.根据权利要求1所述的潜水无人飞行器，其特征在于，飞行器具备空中、水下两套动力系统。空中推进系统由发动机与推进螺旋桨构成。发动机安装于机身尾部上侧的密封发动机舱中。水下推进系统由水下电机与推进螺旋桨构成，安装在机身尾部下侧。水下推进系统中，螺旋桨位于涵道内，涵道尾部安装有水下方向舵。

6.根据权利要求1所述的潜水无人飞行器，其特征在于，飞行器内部安装有储能系统，储能系统包括燃料储藏箱、蓄电池、输油管道、导线等部件。在空中飞行时，发动机工作，为蓄电池充电。在水下航行时，发动机停止工作，发动机进气口封闭，此时蓄电池放电，为水下动力电机供电，驱动水下推进螺旋桨。