本發(fā)明屬于新概念航行器設(shè)計(jì)及制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于共形半環(huán)翼的水空兩用變體跨越航行器。

背景技術(shù)：

2008年，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)技術(shù)研究局(darpa)著手研發(fā)一種既能夠在空中飛行，又能夠在水面和水下航行的新概念飛行器——“潛水飛機(jī)”，專門用于突襲敵方海岸的特種作戰(zhàn)行動(dòng)，潛水飛機(jī)是一類能夠在空中、水面和水下運(yùn)行的復(fù)用型全棲飛行器。2010年7月，據(jù)英國(guó)《每日電訊報(bào)》報(bào)道，五角大樓準(zhǔn)備制造“飛行潛艇”，它可以像潛艇一樣在水下航行，又能躍出海面，像飛機(jī)一樣飛行，該項(xiàng)目計(jì)劃正處于方案設(shè)計(jì)階段。

目前尚不存在可支撐水空兩用航行器的成熟技術(shù)，也無(wú)成功的水空兩用航行器試飛試驗(yàn)?，F(xiàn)有的一些航行器已可實(shí)現(xiàn)在兩種介質(zhì)中單次跨越航行，如空投魚(yú)雷、艦射反潛導(dǎo)彈、潛射導(dǎo)彈、潛射無(wú)人機(jī)等。這些可單次跨越水空介質(zhì)的航行器在功能上均只能實(shí)現(xiàn)一次跨越能力，在使用技術(shù)上均需要運(yùn)載器或減速器等輔助設(shè)備，這些設(shè)備在跨越之后被拋棄，這也是制約其不能多次跨越的關(guān)鍵因素。

空中飛行器與水下航行器的外形存在明顯差異的根源在于水和空氣兩種流體介質(zhì)物性的巨大差異：密度相差800倍，動(dòng)力粘性系數(shù)相差60倍。常規(guī)水下航行器一般設(shè)計(jì)為流線型回轉(zhuǎn)外形，如魚(yú)雷型、水滴型、低阻力層流型，除水下滑翔機(jī)外，都沒(méi)有設(shè)計(jì)升力部件——機(jī)翼/彈翼，而它對(duì)于空中巡航飛行卻必不可少。飛行器一旦進(jìn)入水下，以巡航導(dǎo)彈為例，其速度達(dá)到空中巡航速度的1/28時(shí)就會(huì)產(chǎn)生與空中近似大小的升力，其值等于重力。由于水的動(dòng)力粘性系數(shù)比空氣大得多，因此水下的摩擦阻力比空中要大得多。假設(shè)導(dǎo)彈平均密度接近于水，則還會(huì)在鉛垂反方向會(huì)產(chǎn)生一個(gè)重力大小的正浮力。導(dǎo)彈要在水下水平運(yùn)動(dòng)就必須保持一個(gè)較大的負(fù)攻角姿態(tài)，這又會(huì)在彈軸方向引起更大的誘導(dǎo)阻力。這些趨勢(shì)都是隨著水下速度的提高而呈平方關(guān)系擴(kuò)大的?？梢?jiàn)，對(duì)于水下航行，飛行器的彈翼不僅產(chǎn)生較大的多余不需要的大的正向升力，還產(chǎn)生遠(yuǎn)大于空中的阻力。鑒于巡航導(dǎo)彈和魚(yú)雷的主體差異不大，尾部操縱面對(duì)升、阻力影響又很小，因此，水空兩用跨越航行器外形設(shè)計(jì)要解決的核心問(wèn)題就是確定彈翼的幾何形狀和彈翼進(jìn)入水下后的“消失”的方式。

實(shí)用

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于共形半環(huán)翼的水空兩用變體跨越航行器，旨在解決現(xiàn)有的一些航行器不適合同時(shí)在兩種介質(zhì)中航行，只能夠進(jìn)行單次穿越介質(zhì)，并且均需要運(yùn)載器或減速器作為輔助設(shè)備，不具備多次界面跨越能力和在多個(gè)介質(zhì)中的持續(xù)航行能力的問(wèn)題。

本發(fā)明的基于共形半環(huán)翼的水空兩用變體跨越航行器，該航行器包括：變體機(jī)構(gòu)艙、展開(kāi)-折疊系統(tǒng)、共形半環(huán)翼、動(dòng)力裝置、升降舵、轉(zhuǎn)向舵、鋰電池組、遙控接收器及遙控器：

變體機(jī)構(gòu)艙，其為航行器主體部分，具有巡航導(dǎo)彈形狀；

展開(kāi)-折疊系統(tǒng)，其位于變體機(jī)構(gòu)艙中間內(nèi)部，由伺服控制器、功率變換器、伺服電機(jī)、減速器和同步鎖定機(jī)構(gòu)等組成，對(duì)共形半環(huán)翼進(jìn)行控制，其輸出的驅(qū)動(dòng)力作用于共形半環(huán)翼的下層彈翼；

共形半環(huán)翼，其位于變體機(jī)構(gòu)艙中間外部，由上、下兩層彈翼頂端相接構(gòu)成，與變體機(jī)構(gòu)艙活動(dòng)連接，在空中飛行時(shí)，其展開(kāi)成機(jī)翼形狀，在水中航行時(shí)，彈翼環(huán)包彈體，與彈體完全融合；

動(dòng)力裝置，其位于變體機(jī)構(gòu)艙的后方，有空中和水下兩種工作模式，可滿足水下、空中以及跨越過(guò)程中的不同動(dòng)力需求；

升降舵和轉(zhuǎn)向舵，其位于變體機(jī)構(gòu)艙的后方，采用常規(guī)的“+”構(gòu)型，避免弧形尾翼的橫向耦合效應(yīng)；

遙控接收器，其位于主體結(jié)構(gòu)內(nèi)，用于與遙控器進(jìn)行無(wú)線通訊；

鋰電池組，其位于變體機(jī)構(gòu)艙內(nèi)，為航行器的展開(kāi)-折疊系統(tǒng)、升降舵和轉(zhuǎn)向舵提供動(dòng)力；

展開(kāi)-折疊系統(tǒng)、升降舵和轉(zhuǎn)向舵分別與遙控接收器的一個(gè)輸出通道通過(guò)電機(jī)相連，以控制其動(dòng)作；

航行器設(shè)計(jì)密度大于水。

如上所述的航行器的使用方法為：

準(zhǔn)備入水前，航行器逐步減小動(dòng)力裝置推力，動(dòng)升力迅速下降，降低速度以減少撞擊損害，航行器高度下降；同時(shí)，收起半環(huán)翼，在觸水后關(guān)閉空中工作模式，依靠自身重力沒(méi)入水面，待其完全進(jìn)入水中后，調(diào)整姿態(tài)、航向后，開(kāi)啟水下工作模式，進(jìn)入潛航狀態(tài)；

準(zhǔn)備出水前，航行器在水中調(diào)節(jié)航行姿態(tài)，使頭部高于尾部，然后加大動(dòng)力裝置推力，加速上升；此時(shí)，航行器的半環(huán)翼仍處于收起狀態(tài)，以減小航行器的水中航行阻力；接近水面時(shí)，關(guān)閉動(dòng)力裝置水下工作模式，依靠慣性沖出水面；待航行器完全離開(kāi)水面后，迅速開(kāi)啟動(dòng)力裝置空中工作模式，調(diào)整航行姿態(tài)，半環(huán)翼迅速打開(kāi)，為航行器提供動(dòng)升力，迅速爬升到彈道頂點(diǎn)；調(diào)整航行姿態(tài)和動(dòng)力，進(jìn)入空中巡航。

本發(fā)明基于共形半環(huán)翼的水空兩用變體跨越航行器具備多次界面跨越能力和在多個(gè)介質(zhì)中的持續(xù)航行能力，具有不需要輔助設(shè)備和可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的推廣與應(yīng)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于共形半環(huán)翼的水空兩用變體跨越航行器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明基于共形半環(huán)翼的水空兩用變體跨越航行器的工作原理結(jié)構(gòu)框圖；

圖3是本發(fā)明航行器水下構(gòu)型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明航行器的共形半環(huán)翼的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明航行器展開(kāi)-折疊系統(tǒng)工作原理結(jié)構(gòu)框圖；

圖6是本發(fā)明航行器的典型任務(wù)剖面圖；

附圖標(biāo)記：1、變體機(jī)構(gòu)艙；2、展開(kāi)-折疊系統(tǒng)；3、升降舵和轉(zhuǎn)向舵；4、動(dòng)力裝置；5、遙控接收器；6、遙控器；7、共形半環(huán)翼；8、鋰電池組。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的基于共形半環(huán)翼的水空兩用變體跨越航行器結(jié)構(gòu)。為了便于說(shuō)明，僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分。

本發(fā)明基于共形半環(huán)翼的水空兩用變體跨越航行器包括：

變體機(jī)構(gòu)艙1、展開(kāi)-折疊系統(tǒng)2、升降舵和轉(zhuǎn)向舵3、動(dòng)力裝置4、遙控接收器5、遙控器6、共形半環(huán)翼7和鋰電池組8。

變體機(jī)構(gòu)艙1為常規(guī)航行器的主體結(jié)構(gòu)形狀，大致為長(zhǎng)圓柱體形狀，前端為適于減少空氣阻力的尖拱體形狀；變體機(jī)構(gòu)艙1的中間位置(內(nèi)部)安裝有展開(kāi)-折疊系統(tǒng)2；變體機(jī)構(gòu)艙1的后方外部安裝有成“+”構(gòu)型的常規(guī)形狀的升降舵和轉(zhuǎn)向舵3，以避免弧形尾翼的橫向耦合效應(yīng)；變體機(jī)構(gòu)艙1的后方(內(nèi)部)安裝有動(dòng)力裝置4，為新型水空兩用發(fā)動(dòng)機(jī)，用于為航行器提供動(dòng)力；遙控接收器5安裝在變體機(jī)構(gòu)艙1下方適當(dāng)位置，便于遙控接收器5與遙控器6進(jìn)行無(wú)線通訊，展開(kāi)-折疊系統(tǒng)2、升降舵和轉(zhuǎn)向舵3及動(dòng)力裝置4與遙控接收器5電連接；共形半環(huán)翼7位于變體機(jī)構(gòu)艙1的大致中部，包括閉合和展開(kāi)兩種形狀，其形狀如后詳述，展開(kāi)-折疊系統(tǒng)2通過(guò)對(duì)共形半環(huán)翼7的控制完成航行器的變體過(guò)程；鋰電池組8安裝在共形半環(huán)翼7的后端艙內(nèi)，為航行器的展開(kāi)-折疊系統(tǒng)2、升降舵和轉(zhuǎn)向舵3以及遙控接收器5提供能源。

在本發(fā)明中，各部分的具體功能如下：

1)變體機(jī)構(gòu)艙1、共形半環(huán)翼7為航行器的結(jié)構(gòu)主體，變體機(jī)構(gòu)艙1、共形半環(huán)翼7的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)航行器在不同介質(zhì)航行的架構(gòu)基礎(chǔ)；

2)展開(kāi)-折疊系統(tǒng)2由伺服控制器、功率變換器、伺服電機(jī)、減速器和同步鎖定機(jī)構(gòu)等組成，伺服控制器輸出脈沖寬度調(diào)制(pwm)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)功率變換器調(diào)節(jié)放大后驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)帶動(dòng)減速器轉(zhuǎn)動(dòng)，減速器內(nèi)部由多級(jí)齒輪構(gòu)成，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，經(jīng)過(guò)多級(jí)齒輪的作用將伺服電機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成適于共形半環(huán)翼7的下層彈翼動(dòng)作的高負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)下層彈翼，在下層彈翼到達(dá)指定位置后，由同步鎖定機(jī)構(gòu)對(duì)共形半環(huán)翼7進(jìn)行鎖止；

3)升降舵和轉(zhuǎn)向舵3用于控制航行器的航行姿態(tài)；

4)動(dòng)力裝置4有空中和水下兩種工作模式，通過(guò)遙控接收器5進(jìn)行控制，使其能夠滿足水下、空中以及跨越過(guò)程中的不同動(dòng)力需求；

5)遙控器6用于操控師控制航行器的飛行、潛航和跨越等動(dòng)作及姿態(tài)。

6)共形半環(huán)翼7，其位于變體機(jī)構(gòu)艙中間外部，由上、下兩層彈翼端部相接構(gòu)成，與變體機(jī)構(gòu)艙活動(dòng)連接，在空中飛行時(shí)，彈翼展開(kāi)成機(jī)翼形狀，其形狀易于產(chǎn)生升力，為本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知。在水中航行時(shí)，彈翼收回，環(huán)包彈體，與彈體完全貼合，如后詳述。

7)鋰電池組8為整個(gè)系統(tǒng)提供能源。

圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的基于共形半環(huán)翼的水空兩用變體跨越航行器工作原理圖。當(dāng)遙控接收器5接收到遙控器6發(fā)出的指令之后，可分別對(duì)展開(kāi)-折疊系統(tǒng)2、動(dòng)力裝置4以及升降舵和轉(zhuǎn)向舵3下達(dá)指令，分別達(dá)到調(diào)整共形半環(huán)翼7形狀、輸出動(dòng)力和航行姿態(tài)的目的；展開(kāi)-折疊系統(tǒng)2、升降舵和轉(zhuǎn)向舵3的能源均由鋰電池組8提供。

如圖3(a)所示，航行器在變體機(jī)構(gòu)艙1外表面設(shè)計(jì)了開(kāi)放式儲(chǔ)翼槽，以放置處于水下構(gòu)型時(shí)閉合狀態(tài)的共形半環(huán)翼7；如圖3(b)所示，儲(chǔ)翼槽內(nèi)部曲面與彈翼下側(cè)曲面一致，可使彈翼與彈體完全貼合，不出現(xiàn)縫隙、凹槽、空腔等顯著增大水動(dòng)阻力的結(jié)構(gòu)。

如圖4所示，在本發(fā)明中，共形半環(huán)翼7位于彈體中部外表面，由上下兩層半環(huán)翼組成，上、下層彈翼分別為向下彎曲的弧形，上層彈翼曲率較小，下層彈翼曲率較大，上、下層彈翼一端均與彈體固定連接，兩個(gè)上層彈翼與彈體的連接部位于彈體上端面，這兩個(gè)連接部可以緊鄰，也可以分開(kāi)，圖中示出了緊鄰的情形；兩個(gè)下層彈翼與彈體的連接部分別位于彈體左、右側(cè)端面；上、下層彈翼外側(cè)分別相連；而如果展開(kāi)為平面，上、下兩層彈翼均為矩形形狀。上層彈翼較大，收起時(shí)完全包裹彈體；下層彈翼較小，收起時(shí)僅包裹彈體下半部分；展開(kāi)時(shí)，上下兩層彈翼在彈體縱剖面頂端相連接，可有效減小彈翼在多次展開(kāi)-收攏過(guò)程中的結(jié)構(gòu)形變。展開(kāi)時(shí)，上層彈翼在翼展長(zhǎng)度不發(fā)生改變的情況下，其曲率需要發(fā)生小尺度的連續(xù)變化，故上層彈翼使用具有可變形能力的智能材料，下層彈翼采用剛性結(jié)構(gòu)。

如圖5所示，展開(kāi)-折疊系統(tǒng)2在通過(guò)遙控接收器5接收到指令后，通過(guò)伺服控制器和功率變換器啟動(dòng)伺服電機(jī)，伺服電機(jī)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力在經(jīng)過(guò)減速器后作用于共形半環(huán)翼7的下層彈翼，下層彈翼展開(kāi)帶動(dòng)上層彈翼也展開(kāi)；當(dāng)彈翼展開(kāi)到一定程度，伺服控制器控制的同步鎖定機(jī)構(gòu)開(kāi)始起作用，達(dá)到鎖定共形半環(huán)翼7的作用，使其保持一定的展開(kāi)狀態(tài)。

如圖6所示，在本發(fā)明實(shí)施例中，當(dāng)航行器準(zhǔn)備出水前，通過(guò)升降舵和轉(zhuǎn)向舵3調(diào)整航行器在水中的姿態(tài)角度，使頭部高于尾部，然后通過(guò)調(diào)整動(dòng)力裝置4提高動(dòng)力輸出功率，加速上升，共形半環(huán)翼7處于折疊狀態(tài)，以減小水中航行的阻力。

出水時(shí)，動(dòng)力裝置4在航行器接觸水面時(shí)停止水下工作模式，航行器依靠慣性沖出水面；待航行器完全離開(kāi)水面后，動(dòng)力裝置4轉(zhuǎn)換為空中工作模式，航行器形狀從圖3(a)改變成圖1，共形半環(huán)翼7在展開(kāi)-折疊系統(tǒng)2的控制下從閉合狀態(tài)改變成展開(kāi)狀態(tài)，動(dòng)力裝置4提供航行時(shí)需要的升力，使航行器迅速爬升到彈道頂點(diǎn)；航行器調(diào)整航行姿態(tài)和動(dòng)力，進(jìn)入空中巡航。

入水時(shí)，航行器先調(diào)整動(dòng)力裝置4輸出的動(dòng)力，逐漸降低航行器的高度、減小飛行速度；達(dá)到一定高度后，關(guān)閉動(dòng)力裝置4空中動(dòng)力模式，調(diào)整航行器姿態(tài)，并收起共性半環(huán)翼7，使動(dòng)升力迅速下降，確保其以一定的姿態(tài)入水；待航行器完全進(jìn)入水中后，動(dòng)力裝置4開(kāi)啟水下工作模式，通過(guò)升降舵和轉(zhuǎn)向舵3調(diào)整姿態(tài)、航向進(jìn)入水下穩(wěn)定航行。

本發(fā)明基于共形半環(huán)翼的水空兩用變體跨越航行器，提供了一種新穎的變體機(jī)構(gòu)和展開(kāi)-折疊系統(tǒng)，可為航行器提供兩種不同的構(gòu)型，以提高航行效率和速度。該航行器可平穩(wěn)低速降落水面，也可高速突入，比較空投魚(yú)雷依靠減速傘和緩沖帽等一次性設(shè)備，具有不需要輔助設(shè)備和可以重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)；在水下-空氣跨越階段，可自主實(shí)現(xiàn)跨越，比較潛射無(wú)人機(jī)和潛射導(dǎo)彈等只能單次穿越水空介質(zhì)，解決了其無(wú)法依靠自身動(dòng)力重復(fù)跨越水空介質(zhì)的缺點(diǎn)。

以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。