朱彬+虞錦濤+陳健

摘 要：水空兩棲無人機(jī)是一種既能在天上飛也能在水下上浮，下潛，流暢航行的新型航空航海器，本文針對此類兩棲無人機(jī)進(jìn)行了創(chuàng)新，采用船身結(jié)構(gòu)并添加機(jī)翼，通過添加液壓平衡控制器控制左右旋翼，實(shí)現(xiàn)了在空中和水中兩種不同狀態(tài)下的運(yùn)行的可行性。

關(guān)鍵詞：水空無人機(jī)；創(chuàng)新；液壓平衡控制器

1 緒 論

1.1水空兩棲無人機(jī)課題的來源

隨著人類對無人機(jī)技術(shù)的不斷開發(fā)，人類對無人機(jī)已經(jīng)不僅僅滿足于其在空中遨游、地上奔跑，將無人機(jī)的“涉獵”范圍擴(kuò)張到水里。水下無人機(jī)并不是這幾年才有的創(chuàng)意，早在2007年Warrior公司稱，正與英國自主系統(tǒng)技術(shù)有關(guān)空中評價與評估（ASTRAEA）團(tuán)隊(duì)就“海鷗（Gull）”36兩棲無人機(jī)進(jìn)行談判。2015年12月的時候，迪茲向美國海軍研究機(jī)構(gòu)官員演示了“Naviator”無人機(jī)設(shè)計(jì)，隨后便獲得了他們的資助。迪茲說：“他們告訴我說，以前從未見過這樣的東西?！北M管這一概念令人不禁想起那些能上天入地的動物的技能，但迪茲稱這種無人機(jī)同時精通飛行和潛水兩種任務(wù)，簡直無視大自然的規(guī)律。迪茲說，“水禽的飛行能力仍然強(qiáng)于游泳能力，而飛魚的游泳能力仍然強(qiáng)于飛行能力。我們的設(shè)備則同時擅長這兩種技能。從某種意義上講，我們是在挑戰(zhàn)自然規(guī)律，而不是遵從原有的自然法則?！边@種無人機(jī)在許多情況下可以助海軍以一臂之力。它既可以在水下和水面展開搜索，還可以幫助尋找失蹤的游泳者和水手。因此本課題將對水空兩棲無人機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)上進(jìn)行創(chuàng)新研究，提出一種能控制在水下和空中運(yùn)行的系統(tǒng)方案。

1.2水路兩棲無人機(jī)課題的意義

水路兩棲無人機(jī)與載人飛機(jī)相比，它具有體積小、造價低、使用圓便、對作戰(zhàn)環(huán)境要求低、戰(zhàn)場生存能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，備受世界各國軍隊(duì)的青睞。在幾場局部戰(zhàn)爭中，無人駕駛飛機(jī)以其正確、下效和靈便的窺測 、干擾、欺騙、搜索、校射及在非正規(guī)條件下作戰(zhàn)等多種作戰(zhàn)能力，發(fā)揮著明顯的作用，對未來的軍事斗爭造成較為深遠(yuǎn)的影響。而且水路兩棲無人機(jī)，不僅能在空中做偵查 更是能在水中隱藏在刺探敵情，對于以后軍事上有極為重要的意義，更有 一些專家預(yù)言：“未來的空戰(zhàn)，將是具有隱身特性的無人駕駛飛行器與防空武器之間的作戰(zhàn)?！笨梢妼＜覍o人機(jī)的重視。

2 直升機(jī)原理

2.1 直升機(jī)基本原理說明

直升機(jī)飛行時，旋翼不斷旋轉(zhuǎn)，空氣流過槳葉上表面，流管變細(xì)，流速加快，壓力減小；空氣流過槳葉下表面時，流管變粗，流速變慢，壓力增大。這樣以來槳葉的上下表面就形成了壓力差，槳葉上產(chǎn)生一個向上的拉力。旋翼水平旋轉(zhuǎn)時，自然產(chǎn)生向上的升力，這是直升機(jī)得以垂直起落和懸停的基本條件。旋翼向前傾斜，自然就在產(chǎn)生升力的同時，產(chǎn)生前行的推力。

2.2 橫列雙旋翼直升機(jī)原理及優(yōu)點(diǎn)

直升飛機(jī)除單旋翼、四旋翼以外，橫列雙旋翼也是常見的一種。橫列雙旋翼的兩個旋翼，旋轉(zhuǎn)方向相反，從而抵消相互的反扭力。橫列雙旋翼直升機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小。這種直升機(jī)因無尾槳，所以也就不要裝長長的尾梁，機(jī)身長度也可以大大縮短。有兩副旋翼產(chǎn)生升力，每副旋翼的直徑也可以縮短。機(jī)體部分可以緊湊地安排在直升機(jī)的重心處，所以飛行穩(wěn)定性好，也便于操縱。與單旋翼帶尾槳直升機(jī)相比，其操縱效率明顯有所提高。此外，其懸停效率也比較高。

3 兩棲無人機(jī)原理

3.1 兩棲無人機(jī)——空中飛行

空中飛行時，只允許左、右旋翼工作，且左、右旋翼轉(zhuǎn)速相同。飛機(jī)懸停方向的控制是角動量守恒定律的應(yīng)用。直升機(jī)在發(fā)動前，系統(tǒng)的總角動量為零。在發(fā)動后，旋翼在水平面內(nèi)高速轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)會出現(xiàn)一個豎直向上的角動量。由旋翼產(chǎn)生的升力豎直向上，方向通過大致與機(jī)身垂直的直立軸，飛機(jī)受重力也通過該軸，升力和重力對該軸均不產(chǎn)生力矩，故系統(tǒng)的角動量守恒。在直立軸上安裝一對相反方向旋轉(zhuǎn)的旋翼，通過對兩旋翼旋轉(zhuǎn)角速度的控制，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)懸停方向的改變。通過液壓平衡控制器控制旋翼的傾斜角度實(shí)現(xiàn)空中的飛行、轉(zhuǎn)向、懸停。

3.2 水中運(yùn)行

下潛后，小旋翼作為無人機(jī)的動力，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)；舵板通過尾部的伺服電機(jī)控制其左/右翻動一定角度，從而實(shí)現(xiàn)向左/右轉(zhuǎn)彎；左、右旋翼低速轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身的向上或者向下運(yùn)動。

4 兩棲無人機(jī)動力系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)

動力裝置發(fā)展至今，從開始的活塞發(fā)動機(jī)，到后來的燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)、火箭發(fā)動機(jī)、電動機(jī)、核能發(fā)動機(jī)、太陽能發(fā)動機(jī)等，這些動力裝置有的用于飛機(jī)、汽車，有的用于船舶、潛艇、魚雷，他們中有的必須要氧氣，因此一般情況下只適用于水上，有的不需要氧氣或自帶氧氣，適用于水下也適用于水上。

由于兩棲無人機(jī)既要在空中飛行，又要在水下航行，需要能在水上和水下都可以使用的動力裝置，火箭發(fā)動機(jī)具有高推力、高排氣速度、高推重比等特點(diǎn)，正因?yàn)檫@些特點(diǎn)，不適于用到低速的兩棲無人機(jī)上，核能發(fā)動機(jī)也是如此，而太陽能發(fā)動機(jī)應(yīng)用還不是很廣泛，在水下的性能也無法保證，因此只有電動機(jī)才是本課題的首選。電動機(jī)被廣泛地用于各種無人機(jī)上，其運(yùn)行不需要空氣，而且其中的無刷電機(jī)還具有一定的防水性，可以用在兩棲無人機(jī)上。但是電動機(jī)需要電池帶動，電池的能量密度遠(yuǎn)低于燃油，如果要長時間使用，那么所需的電池就很大，重量就必然增加，要實(shí)現(xiàn)兩棲無人機(jī)更好的飛行和潛航性能，還需要尋求其他的途徑。

本課題最終選定采用兩個動力裝置的方案，在采用的兩個動力裝置中，依賴空氣的發(fā)動機(jī)主要在水上和空中使用，可以選用的有活塞發(fā)動機(jī)和燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)，由于是中小型的無人機(jī)，所以選用活塞發(fā)動機(jī)；而另一個不依賴空氣的動力裝置，可選用電池、燃料電池或水反應(yīng)金屬發(fā)動機(jī)，為滿足飛機(jī)在水中航行需要，該動力系統(tǒng)需要解決動力傳動系統(tǒng)的重量問題及防止燃油發(fā)動機(jī)驟冷驟熱的問題。本課題借鑒汽車油電混合動力技術(shù)，采用活塞發(fā)動機(jī)與用動力鋰電池電動機(jī)兩套系統(tǒng)，分別獨(dú)立地為兩棲無人機(jī)提供動力。

5 結(jié) 論

兩棲無人機(jī)是一種平時主要用于空中飛行，在海面等水域上空執(zhí)行任務(wù)時可隱蔽到水面下，在水中進(jìn)行短暫的航行，而后又可以從水下上浮到水面，最后再次飛到空中的新型多棲飛行器。

經(jīng)過本文的研究，提出了一種可行的水空兩用無人機(jī)動力系統(tǒng)的方案，但通過詳細(xì)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方案只適用于低速短距的兩棲無人機(jī)，在密封防水和水面飛行上還存在一些問題。具有類似兩棲無人機(jī)功能的飛行器將來必將用于海陸空多維作戰(zhàn)中，并能起到積極的作用，因此此類飛行器的研究必將向高速長距方向發(fā)展。

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