CN112428760B - 复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器和航行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器及航行方法，包括机身，所述机身上设有翼组件、桨组件和用于输出飞行推力的动力装置，所述机身底部还设有滑行支架，滑行支架上设有传感器，机身内设有压载水舱；所述翼组件包括侧翼、襟翼、从机身尾部引出的垂直尾翼；所述桨组件包括位于贯穿机身的孔内的涵道桨、设于动力装置上的导管桨，导管桨所产生的推力与涵道桨所产生的推力方向垂直。所述机身包括机头、从机头开始逐渐扩宽的机尾，所述侧翼位于机头和机尾之间，且与机头机尾弧线过渡相连。本发明实现了航行器空中飞行和复杂水域环境贴底定高航行的目的，具有响应速度快、辅助装备少、作业成本低的优点。

Description

复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器和航行方法

技术领域

本发明涉及航空和船舶的交叉技术领域，尤其是一种复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器和航行方法。

背景技术

空中飞行器可以从地面或甲板起飞，具有能耗低、快速抵达、机动部署等优势；水下贴底定高航行器可以贴近海底以一定的高度航行，具有水下隐蔽航行、水下精细搜索、水下综合作业等优势。考虑复杂水域环境特点，将空中飞行器和水下贴底定高航行器两者的优势相结合，形成一种可用于复杂水域环境贴底定高航行的两栖航行器，兼具飞行器的快速巡航能力和水下贴底定高航行器的水下综合作业能力，可一次性完成“锁定、勘察、救援、作业”全流程任务，具有响应速度快、辅助装备少、作业成本低等优点，可应用于军民多种场景，如远距离突防破袭、水下快速搜救、水下应急作业等。

然而，这种航行器既要在空中快速飞行，又要在水下复杂水域环境中作业，由于空气和水的物性参数相差较大，加之目前利用声学测高装置实现水下贴底定高航行的方法很难适用于具有复杂水流和底质的水域环境，该航行器既要考虑两栖跨介质航行的气动-水动布局问题，又要考虑在复杂环境中的贴底定高航行问题，其技术难度远大于常规的空中-水下两栖航行器。

发明内容

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器和航行方法，从而使两栖航行器满足复杂水域贴底定高航行的要求。

本发明所采用的技术方案如下：

一种复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器，包括机身，所述机身上设有翼组件、桨组件和用于输出飞行推力的动力装置，所述机身底部还设有滑行支架，滑行支架上设有用于检测是否与水域底部相接触的传感器，机身内设有压载水舱；

所述翼组件包括对称设于机身两侧的侧翼、嵌设于机身尾部的襟翼、从机身尾部引出的垂直尾翼；

所述桨组件包括位于贯穿机身的孔内的涵道桨、设于动力装置上的导管桨，导管桨所产生的推力与涵道桨所产生的推力方向垂直。

所述机身包括机头、从机头开始逐渐扩宽的机尾，所述侧翼位于机头和机尾之间，且与机头机尾弧线过渡相连。

所述侧翼在机身两侧平面延展，且从机头向机尾倾斜设置，侧翼背离机身的一端设有朝向机尾弯折的折角，弯折角度为钝角。

所述折角向背离滑行支架的一侧上翻，折角与侧翼之间圆弧相切。

所述垂直尾翼设于机身的中轴线上，从机身向机尾方向倾斜设置，襟翼以垂直尾翼为基准，对称设于垂直尾翼两侧的机尾上。

所述动力装置采用喷气式推进器，喷气式推进器设于垂直尾翼和襟翼之间，喷气式推进器以垂直尾翼为基准对称设置。

所述滑行支架包括与机身相连的支撑杆、设于支撑杆上的滑行板，所述滑行板的两端向机身翻卷设置，所述滑行板靠近机头一端的翻卷圆弧直径大于滑行板靠近机尾一端的翻卷直径。

所述支撑杆包括从机身竖直引出的第一杆体、从第一杆体背离机身一端引出的两第二杆体，两根第二杆体之间夹角设置，第二杆体背离第一杆体的一端与滑行板相连。

所述机身厚度最大处靠近机头，所述涵道桨设于机身厚度最大处与机尾之间。

一种利用复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器的航行方法，包括如下步骤：

一、起飞飞行阶段：喷气式推进器运行，输出最大值的推力，航行器达到预期滑行速度后，翼组件在推力作用下，产生带动航行器起飞的升力；航行器起飞、进入巡航状态后，喷气式推进器的推力减小，持续均匀输出用以克服飞行阻力的恒定推力，翼组件中，侧翼同时提供用以克服重力的升力，襟翼控制航行器飞行过程中的俯仰和滚转，垂直尾翼控制航行器飞行过程中的偏航；

二、降落入水阶段：航行器降落至水面附近，喷气式推进器推力减小，航行器航速降低，相应升力减小，使得航行器的滑行支架与水面相接触，在水面张力、浮力和空气升力的综合作用下，航行器以滑跳方式与水面断续接触，滑跳一段距离后，航行器速度降低，直至航速为零，平缓完成飞行和水面航行的航态切换，切换完成后，航行器浮于水面，压载水舱吸入压载水，使航行器变为微负浮力状态，以便入水潜航；

三、水下潜航阶段：启动导管桨，导管桨产生前进推力，利用两个导管桨的差速实现偏航，利用涵道桨的上下推力实现升降、滚转，在水下潜航过程中，传感器感知并控制航行器不陷入淤泥，使滑行支架与水域底部始终保持接触；传感器感知过程包括如下步骤：

设定传感器阈值，以判别航行器的行驶状态，导管桨始终产生向前的推力；

传感器检测到的重力过大时，则表明航行器有陷入底质的倾向，此时涵道桨产生向上的推力；

若传感器测量到的重力过小，则表明航行器开始脱离水域底部，此时关闭涵道桨，或令涵道桨反向转动，产生下推力，使航行器贴底航行；

四、出水回收阶段：航行器在水域底部完成任务后，在导管桨和涵道桨的综合作用下，向水面上升航行，压载水舱在此过程中排出压载水，使航行器处于正浮力状态，航行器最终静止浮于水面，由回收设备回收。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，辅助装备少，通过设置滑行支架、翼组件和桨组件，使航行器能够在陆地、空中、水面和水下便捷切换稳定的航行模式。其中，翼组件用于产生起飞的升力和操纵力矩，动力装置用于提供飞行时的动力，桨组件用于提供水中潜航时的动力和操纵力矩，滑行支架用于在水下航行时，始终与水域底部接触，对航行器起到支撑作用。由于复杂水域环境的流场结构和底质构造均较为复杂，若采用声学传感器实现其贴底定高航行使得航行器一直处于无支撑状态，航行器将受到水流和底质的干扰，难以正常航行，尤其是在水域底部环境复杂的工况中，航行器在有支撑的情况下行驶更稳定。

本发明中的传感器用于感知和控制航行器不陷入底质淤泥，通过滑行支架和传感器组合使用的方式，使航行器全程有支撑，满足其在复杂水域环境的贴底定高航行。

附图说明

图1为本发明中航行器的立体结构示意图。

图2为本发明中航行器的主视图。

图3为本发明中航行器的俯视图。

图4为本发明中航行器的仰视图。

图5为本发明中航行器的侧视图。

其中：1、机身；2、翼组件；3、桨组件；4、动力装置；5、滑行支架；6、传感器；

101、机头；102、机尾；

201、侧翼；202、襟翼；203、垂直尾翼；204、折角；

301、涵道桨；302、导管桨；

501、支撑杆；502、滑行板；503、第一杆体；504、第二杆体。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1-图5所示，本实施例的复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器，包括机身1，机身1上设有翼组件2、桨组件3和用于输出飞行推力的动力装置4，机身1底部还设有滑行支架5，滑行支架5上设有用于检测是否与水域底部相接触的传感器6，机身1内设有压载水舱；

翼组件2包括对称设于机身1两侧的侧翼201、嵌设于机身1尾部的襟翼202、从机身1尾部引出的垂直尾翼203；

桨组件3包括位于贯穿机身1的孔内的涵道桨301、设于动力装置4上的导管桨302，导管桨302所产生的推力与涵道桨301所产生的推力方向垂直。

机身1包括机头101、从机头101开始逐渐扩宽的机尾102，侧翼201位于机头101和机尾102之间，且与机头101机尾102弧线过渡相连。

侧翼201在机身1两侧平面延展，且从机头101向机尾102倾斜设置，侧翼201背离机身1的一端设有朝向机尾102弯折的折角204，弯折角204度为钝角。

折角204向背离滑行支架5的一侧上翻，折角204与侧翼201之间圆弧相切。

垂直尾翼203设于机身1的中轴线上，从机身1向机尾102方向倾斜设置，襟翼202以垂直尾翼203为基准，对称设于垂直尾翼203两侧的机尾102上。

动力装置4采用喷气式推进器，喷气式推进器设于垂直尾翼203和襟翼202之间，喷气式推进器以垂直尾翼203为基准对称设置。

滑行支架5包括与机身1相连的支撑杆501、设于支撑杆501上的滑行板502，滑行板502的两端向机身1翻卷设置，滑行板502靠近机头101一端的翻卷圆弧直径大于滑行板502靠近机尾102一端的翻卷直径。

支撑杆501包括从机身1竖直引出的第一杆体503、从第一杆体503背离机身1一端引出的两第二杆体504，两根第二杆体504之间夹角设置，第二杆体504背离第一杆体503的一端与滑行板502相连。

机身1厚度最大处靠近机头101，涵道桨301设于机身1厚度最大处与机尾102之间。

本实施例的利用复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器的航行方法，包括如下步骤：

一、起飞飞行阶段：喷气式推进器运行，输出最大值的推力，航行器达到预期滑行速度后，翼组件2在推力作用下，产生带动航行器起飞的升力；航行器起飞、进入巡航状态后，喷气式推进器的推力减小，持续均匀输出用以克服飞行阻力的恒定推力，翼组件2中，侧翼201同时提供用以克服重力的升力，襟翼202控制航行器飞行过程中的俯仰和滚转，垂直尾翼203控制航行器飞行过程中的偏航；

二、降落入水阶段：航行器降落至水面附近，喷气式推进器推力减小，航行器航速降低，相应升力减小，使得航行器的滑行支架5与水面相接触，在水面张力、浮力和空气升力的综合作用下，航行器以滑跳方式与水面断续接触，滑跳一段距离后，航行器速度降低，直至航速为零，平缓完成飞行和水面航行的航态切换，切换完成后，航行器浮于水面，压载水舱吸入压载水，使航行器变为微负浮力状态，以便入水潜航；

三、水下潜航阶段：启动导管桨302，导管桨302产生前进推力，利用两个导管桨302的差速实现偏航，利用涵道桨301的上下推力实现升降、滚转，在水下潜航过程中，传感器6感知并控制航行器不陷入淤泥，使滑行支架5与水域底部始终保持接触；传感器6感知过程包括如下步骤：

设定传感器6阈值，以判别航行器的行驶状态，导管桨302始终产生向前的推力；

传感器6检测到的重力过大时，则表明航行器有陷入底质的倾向，此时涵道桨301产生向上的推力；

若传感器6测量到的重力过小，则表明航行器开始脱离水域底部，此时关闭涵道桨301，或令涵道桨301反向转动，产生下推力，使航行器贴底航行；

四、出水回收阶段：航行器在水域底部完成任务后，在导管桨302和涵道桨301的综合作用下，向水面上升航行，压载水舱在此过程中排出压载水，使航行器处于正浮力状态，航行器最终静止浮于水面，由回收设备回收。

本发明的具体结构和工作原理如下：

如图1所示，本发明的航行器机身1呈三角形，机头101为复合冯卡门曲线的子弹型，两侧设有长型侧翼201。在机尾102的中间位置设有垂直尾翼203，垂直尾翼203两侧对称设有动力装置4，每个动力装置4上设有导管桨302。在动力装置4背离垂直尾翼203的一侧设有襟翼202。机身1整体为对称设置结构，如图1和图2所示，机身1厚度最厚处为靠近机头101的中间位置，从这个位置向机尾102、侧翼201逐渐减薄。涵道桨301设置在这个厚度最厚位置的两侧，且与机头101之间具有一定距离，避开厚度最厚处。

如图3和图4所示，动力装置4嵌在机尾102上，导管桨302位于机身1上表面，滑行支架5位于机身1下表面。本实施例中，动力装置4采用喷气式喷气式推进器。如图5所示，在滑行支架5的第一杆体503中段位置设置传感器6，传感器6用于及时检测滑行支架5是否陷入水域底质中。

本发明的航行器能够在地面跑道、船甲板等平坦场地起飞，起飞时，喷气式喷气式推进器输出最大推力，滑行支架5可保证航行器在推力作用下以较小的阻力向前滑行，待航行器达到一定滑行速度后，采用翼身融合设计的主体机身1和侧翼201产生足够的升力，可使航行器起飞。待航行器进入巡航状态后喷气式喷气式推进器的推力适当减小，持久产生推力以克服航行器飞行过程中的阻力，采用翼身融合设计的主体机身1和侧翼201产生升力以克服重力，侧翼201后方的襟翼202控制航行器飞行过程中的俯仰和滚转，垂直垂直尾翼203控制航行器飞行过程中的偏航。

航行器降落至水面附近，喷气式推进器推力减小，航行器航速降低，相应升力减小但仍保留一部分升力，航行器调整至合适姿态后滑行支架5与水面相接触，在水面张力、浮力和空气升力的综合作用下，航行器以滑跳的方式与水面相接触，滑跳一段距离后航行器速度降低直止航速为零，该过程可使航行器平缓地完成由空中至水面的航态切换，此时航行器浮于水面，压载水舱吸入压载水，使航行器变为微负浮力状态，便可入水潜航。

水下潜航过程中利用导管桨302产生向前的推力，利用两个导管桨302的差速实现偏航，利用两个涵道桨301的上下推力和差速实现升降和滚转。航行器的设计重点在于满足其在复杂水域环境的贴底定高航行，复杂水域环境的流场结构和底质构造均较为复杂，若采用声学传感器6实现其贴底定高航行使得航行器一直处于无支撑状态，航行器将受到水流和底质的干扰，难以正常航行，本发明采用滑行支架5-力传感器6相组合的方式，使滑行支架5一直与水域底部相接触，让航行器处于有支撑状态，同时通过力传感器6的感知，控制航行器不至于陷入底质淤泥，具体过程为：设定合理的力传感器6阈值，以判别航行器的行驶状态；若力传感器6测量到的重力过大，则表明航行器有陷入底质的倾向，涵道桨301需要产生向上的推力；若力传感器6测量到的重力过小，则表明航行器开始脱离底部，则关闭涵道桨301，必要时产生向下的推力，使航行器贴底航行；在整个过程中，导管桨302产生向前的推力。

待航行器在水域底部完成任务后，在导管桨302和涵道桨301的综合作用下向水面附近航行，同时，压载水舱排出压载水，使航行器处于正浮力状态。航行器静止浮于水面，待回收设备回收。

本发明实现了航行器空中飞行和复杂水域环境贴底定高航行的目的，具有响应速度快、辅助装备少、作业成本低的优点。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (7)

1.一种复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器，其特征在于：包括机身(1)，所述机身(1)上设有翼组件(2)、桨组件(3)和用于输出飞行推力的动力装置(4)，所述机身(1)底部还设有滑行支架(5)，滑行支架(5)上设有用于检测是否与水域底部相接触的传感器(6)，机身(1)内设有压载水舱；

所述翼组件(2)包括对称设于机身(1)两侧的侧翼(201)、嵌设于机身(1)尾部的襟翼(202)、从机身(1)尾部引出的垂直尾翼(203)；所述桨组件(3)包括位于贯穿机身(1)的孔内的涵道桨(301)、设于动力装置(4)上的导管桨(302)，导管桨(302)所产生的推力与涵道桨(301)所产生的推力方向垂直，

所述机身(1)包括机头(101)、从机头(101)开始逐渐扩宽的机尾(102)，所述侧翼(201)位于机头(101)和机尾(102)之间，且与机头(101)机尾(102)弧线过渡相连，

所述侧翼(201)在机身(1)两侧平面延展，且从机头(101)向机尾(102)倾斜设置，侧翼(201)背离机身(1)的一端设有朝向机尾(102)弯折的折角(204)，弯折角(204)度为钝角，

利用复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器的航行方法，包括如下步骤：

一、起飞飞行阶段：喷气式推进器运行，输出最大值的推力，航行器达到预期滑行速度后，翼组件(2)在推力作用下，产生带动航行器起飞的升力；航行器起飞、进入巡航状态后，喷气式推进器的推力减小，持续均匀输出用以克服飞行阻力的恒定推力，翼组件(2)中，侧翼(201)同时提供用以克服重力的升力，襟翼(202)控制航行器飞行过程中的俯仰和滚转，垂直尾翼(203)控制航行器飞行过程中的偏航；

二、降落入水阶段：航行器降落至水面附近，喷气式推进器推力减小，航行器航速降低，相应升力减小，使得航行器的滑行支架(5)与水面相接触，在水面张力、浮力和空气升力的综合作用下，航行器以滑跳方式与水面断续接触，滑跳一段距离后，航行器速度降低，直至航速为零，平缓完成飞行和水面航行的航态切换，切换完成后，航行器浮于水面，压载水舱吸入压载水，使航行器变为微负浮力状态，以便入水潜航；

三、水下潜航阶段：启动导管桨(302)，导管桨(302)产生前进推力，利用两个导管桨(302)的差速实现偏航，利用涵道桨(301)的上下推力实现升降、滚转，在水下潜航过程中，传感器(6)感知并控制航行器不陷入淤泥，使滑行支架(5)与水域底部始终保持接触；传感器(6)感知过程包括如下步骤：

设定传感器(6)阈值，以判别航行器的行驶状态，导管桨(302)始终产生向前的推力；

传感器(6)检测到的重力过大时，则表明航行器有陷入底质的倾向，此时涵道桨(301)产生向上的推力；

若传感器(6)测量到的重力过小，则表明航行器开始脱离水域底部，此时关闭涵道桨(301)，或令涵道桨(301)反向转动，产生下推力，使航行器贴底航行；

四、出水回收阶段：航行器在水域底部完成任务后，在导管桨(302)和涵道桨(301)的综合作用下，向水面上升航行，压载水舱在此过程中排出压载水，使航行器处于正浮力状态，航行器最终静止浮于水面，由回收设备回收。

2.如权利要求1所述的复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器，其特征在于：所述折角(204)向背离滑行支架(5)的一侧上翻，折角(204)与侧翼(201)之间圆弧相切。

3.如权利要求1所述的复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器，其特征在于：所述垂直尾翼(203)设于机身(1)的中轴线上，从机身(1)向机尾(102)方向倾斜设置，襟翼(202)以垂直尾翼(203)为基准，对称设于垂直尾翼(203)两侧的机尾(102)上。

4.如权利要求3所述的复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器，其特征在于：所述动力装置(4)采用喷气式推进器，喷气式推进器设于垂直尾翼(203)和襟翼(202)之间，喷气式推进器以垂直尾翼(203)为基准对称设置。

5.如权利要求1所述的复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器，其特征在于，所述滑行支架(5)包括与机身(1)相连的支撑杆(501)、设于支撑杆(501)上的滑行板(502)，所述滑行板(502)的两端向机身(1)翻卷设置，所述滑行板(502)靠近机头(101)一端的翻卷圆弧直径大于滑行板(502)靠近机尾(102)一端的翻卷直径。

6.如权利要求5所述的复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器，其特征在于，所述支撑杆(501)包括从机身(1)竖直引出的第一杆体(503)、从第一杆体(503)背离机身(1)一端引出的两第二杆体(504)，两根第二杆体(504)之间夹角设置，第二杆体(504)背离第一杆体(503)的一端与滑行板(502)相连。

7.如权利要求1所述的复杂水域环境贴底定高航行的跨介质航行器，其特征在于，所述机身(1)厚度最大处靠近机头(101)，所述涵道桨(301)设于机身(1)厚度最大处与机尾(102)之间。

Images