張朝陽(yáng)，楊 峰，劉 凱，夏廣慶,，康會(huì)峰，牛堯雨，鹿 暢,

(1. 大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 大連 116024;2. 大連理工大學(xué)遼寧省空天飛行器前沿技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 大連 116024;3. 北華航天工業(yè)學(xué)院河北省跨氣水介質(zhì)飛行器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廊坊 065000)

0 引言

飛行器是航空航天產(chǎn)業(yè)的核心產(chǎn)品，單介質(zhì)飛行器/航行器技術(shù)已日趨成熟，如航天器(衛(wèi)星等)和飛行器(飛機(jī)等)?？缃橘|(zhì)飛行器是指穿越氣/水兩相界面，由空氣進(jìn)入水中(高速入水)或由水中進(jìn)入空中(水下發(fā)射)飛行或航行的飛行器，如潛射導(dǎo)彈和反潛魚雷等都屬于典型跨介質(zhì)飛行器。跨介質(zhì)飛行器具有軍民兩用的廣闊前景且越來(lái)越受重視。

變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器通過改變翼型使得該飛行器能夠適用于水中及空中不同介質(zhì)環(huán)境下的航行，在軍事及民用領(lǐng)域均有廣泛的用途。

第一次把該飛行器用于戰(zhàn)場(chǎng)是二戰(zhàn)前由蘇聯(lián)提出的LPL兩棲飛機(jī)，后來(lái)經(jīng)歷RFS-1樣機(jī)、DARPA樣機(jī)等，技術(shù)日趨完善。近代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外十分重視無(wú)人機(jī)的研發(fā)，單介質(zhì)無(wú)人機(jī)技術(shù)已日趨成熟。隨著作戰(zhàn)要求的多樣化和指標(biāo)提升，科研人員開展跨介質(zhì)飛行器的相關(guān)研究。國(guó)外的研究主要集中在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，如英國(guó)的布里斯托大學(xué)、帝國(guó)理工學(xué)院、美國(guó)的MIT林肯實(shí)驗(yàn)室等。我國(guó)相關(guān)研究起步較晚，從公開的資料看[1-4]，航天科技集團(tuán)和航天科工集團(tuán)的研究院所主要開展跨介質(zhì)飛行器工程研究。國(guó)防類院校主要專注單介質(zhì)飛行器或航行器研究，實(shí)驗(yàn)設(shè)備以傳統(tǒng)的循環(huán)水洞為主；而關(guān)于變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器主要集中在高校，如北京理工大學(xué)、吉林大學(xué)、南昌航空大學(xué)等。從我國(guó)海洋周邊局勢(shì)來(lái)看，海洋權(quán)益受到不同程度的威脅，釣魚島、南海等海洋爭(zhēng)端日趨嚴(yán)峻，因此對(duì)跨介質(zhì)飛行器的研究具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器又稱“會(huì)飛的潛艇”，是一種既能滿足水下航行需要又可以滿足空中飛行要求的兩棲飛行器。同時(shí)具有空中快速部署、高速飛行、水下隱蔽性好的特點(diǎn)，能夠完成信息交互、緊急突防、多維打擊等重要任務(wù)。作為單獨(dú)作戰(zhàn)用武器時(shí)，該飛行器具備很好的隱蔽性，能有效完成突防任務(wù)；作為輔助性武器時(shí)，該飛行器可以與潛艇相互配合充當(dāng)潛艇的“眼睛”，從而大大提高潛艇的作戰(zhàn)能力[5-7]。

本文分析了變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器的軍事和民用應(yīng)用前景，綜述了國(guó)內(nèi)外跨介質(zhì)飛行器的研究狀況，總結(jié)了其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)所在，提出了發(fā)展方向，從而為跨介質(zhì)飛行器的下一步發(fā)展提供參考。

1 跨介質(zhì)飛行器的優(yōu)勢(shì)及用途

跨介質(zhì)飛行器相比單一介質(zhì)飛行器而言，具有空中飛行速度快、水下隱蔽效果好的特點(diǎn)，可廣泛用于中遠(yuǎn)程海洋反潛和海上災(zāi)難救援、深海地質(zhì)測(cè)繪和探礦找油、水下目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、水中無(wú)人系統(tǒng)快速投放等，因此無(wú)論在軍用還是民用領(lǐng)域都有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 軍事領(lǐng)域

跨介質(zhì)飛行器在軍事上的用途主要集中體現(xiàn)在跨介質(zhì)航行、信息交互、協(xié)同作戰(zhàn)等方面?？缃橘|(zhì)飛行器具有快速發(fā)射、快速響應(yīng)的能力，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成偵察、監(jiān)視以及情報(bào)收集的任務(wù)，機(jī)身上安裝了微型光電和紅外傳感器，操作人員可以利用這些傳感器對(duì)目標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8-11]，集成了潛艇和飛機(jī)的特點(diǎn)，能夠增強(qiáng)軍隊(duì)執(zhí)行沿海作戰(zhàn)時(shí)的作戰(zhàn)能力。

1.2 民用領(lǐng)域

跨介質(zhì)飛行器在民用領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用前景。對(duì)于普通的無(wú)人機(jī)，如果要完成海上搜救任務(wù)時(shí)需要多個(gè)無(wú)人機(jī)協(xié)同，但對(duì)于跨介質(zhì)飛行器而言，由于該飛行器能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境，可單獨(dú)完成搜救任務(wù)。此外，該飛行器也可以單獨(dú)完成臺(tái)風(fēng)、洪災(zāi)、海嘯等災(zāi)害下的海面搜救、通信中繼等任務(wù)；還可以進(jìn)行海洋資源勘測(cè)、海洋平臺(tái)的觀察、水文氣象測(cè)量等。飛行器在完成這些作業(yè)時(shí)具有其他飛行器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，既可以快速飛到指定區(qū)域，又可以潛入水下完成特定任務(wù)。這樣不僅增加了工作效率，更大大增加了任務(wù)的成功率[3，12]。

2 變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

2005年，美國(guó)洛克希德-馬丁空間系統(tǒng)公司對(duì)仿生“鸕鶿”跨介質(zhì)飛行器進(jìn)行首輪實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。該飛行器由潛艇攜帶，在潛艇發(fā)射通道內(nèi)機(jī)翼呈折疊狀，最大能夠承受46米水深的壓強(qiáng)。執(zhí)行特定作業(yè)時(shí)，飛行器由潛艇釋放，采用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)其加速飛出水面，實(shí)現(xiàn)從水中到空中的過渡。出水后機(jī)翼展開，采用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)，完成任務(wù)后降落到水面對(duì)其進(jìn)行回收處理。由于成本過高的問題，該項(xiàng)目于2008年終止[13-15]。

圖1 仿生“鸕鶿”跨介質(zhì)飛行器Fig.1 Bionic ‘Cormorant’ trans-media aircraft

2007年，美國(guó)科爾摩根公司研發(fā)了一款從潛艇發(fā)射的跨介質(zhì)飛行器“海哨兵”，如圖2所示?！昂Ｉ诒庇蓾撏У奈U處發(fā)射，飛離水面后機(jī)翼展開，“海哨兵”尾部的螺旋槳為其提供動(dòng)力。同樣，“海哨兵”執(zhí)行完任務(wù)后需要回收處理才能執(zhí)行下一次任務(wù)[16-17]。

圖2 “海哨兵”跨介質(zhì)飛行器Fig.2 ‘Sea Sentinel’ trans-media aircraft

2011年，美國(guó)軍方提出將“彈簧刀”無(wú)人機(jī)與潛艇相結(jié)合的設(shè)想。如圖3所示，“彈簧刀”無(wú)人機(jī)使用發(fā)射器進(jìn)行彈射起飛，出筒后機(jī)翼彈開，伺服電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳為其提供動(dòng)力?！皬椈傻丁迸c潛艇結(jié)合，是將帶有“彈簧刀”的運(yùn)載器由潛艇的桅桿或者魚雷發(fā)射筒拋出，運(yùn)載器上浮到水面后“彈簧刀”與運(yùn)載器分離。由于“彈簧刀”體積小，攜帶能源有限，因而續(xù)航能力較差[18]。

圖3 “彈簧刀”及其發(fā)射流程Fig.3 ‘Switchblade’ and its launch process

2011年，美國(guó)麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系研制出仿生“飛魚”跨介質(zhì)飛行器，如圖4所示。通過高速相機(jī)捕捉“飛魚”進(jìn)出水的瞬間，并分析其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和水動(dòng)力特性。同時(shí)還對(duì)“飛魚”進(jìn)行了水下控制研究，魚鰭的波動(dòng)能改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。雖然“飛魚”出水后的飛行短暫，但對(duì)跨介質(zhì)飛行器的后續(xù)研究具有重大意義[19-21]。

圖4 “飛魚”設(shè)計(jì)圖及其樣機(jī)Fig.4 ‘Flying Fish’ design drawing and its prototype

2012年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的林肯實(shí)驗(yàn)室研制了仿生“鰹魚”跨介質(zhì)飛行器，如圖5所示?！蚌烎~”的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是可折疊機(jī)翼，在空中飛行時(shí)機(jī)翼展開，當(dāng)飛行器俯沖入水時(shí)機(jī)翼折疊。折疊后可以減小入水時(shí)的水阻，同時(shí)也可以避免入水的沖擊力損壞機(jī)身結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段，該飛行器只能實(shí)現(xiàn)由空入水的單向跨介質(zhì)。后續(xù)需要解決由水入空的動(dòng)力問題和機(jī)翼展開的結(jié)構(gòu)問題[22-23]。

圖5 “鰹魚”模型Fig.5 ‘Bonito’ model

2016年，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院研制了一款仿烏賊的跨介質(zhì)飛行器“水?！?如圖6所示。該飛行器模仿烏賊的噴射，攜帶少量的液體向下噴出實(shí)現(xiàn)起飛。其入水的方式為濺落式入水，機(jī)翼在入水前折疊，頭部螺旋槳率先入水，入水后依舊是頭部螺旋槳為其提供航行動(dòng)力?！八！笨捎糜谔囟▍^(qū)域的數(shù)據(jù)采集、海洋平臺(tái)監(jiān)測(cè)。該飛行器在向下噴射時(shí)采用高壓氣體，為跨介質(zhì)飛行器的研究提供了新的思路[24-25]。

圖6 “水?！睂?shí)物圖Fig.6 ‘Buffalo’prototype

2018年，美國(guó)北卡羅萊納州大學(xué)研制了固定翼跨介質(zhì)飛行器“鷹鰩”，如圖7所示。該飛行器長(zhǎng)約1.4 m，機(jī)翼展開后約1.5 m，質(zhì)量約5.7 kg，機(jī)身的材料主要由碳纖維和鋁合金構(gòu)成，在空中和水下由同一個(gè)伺服電機(jī)提供動(dòng)力，具備自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種模式?？梢詮乃嫫痫w進(jìn)入空中也可在水中長(zhǎng)時(shí)間航行，起飛的大致流程為：1)由螺旋槳提供動(dòng)力到水面附近；2)向機(jī)身內(nèi)部注水方便機(jī)身直立然后由螺旋槳推動(dòng)駛出水面；3)飛到一定高度排出機(jī)身內(nèi)部的儲(chǔ)水，改為平飛狀態(tài)；4)完成任務(wù)后降落回水面[26-27]。

圖7 “鷹鰩”航行圖Fig.7 ‘Eagle Ray’ sailing

圖8 “鷹鰩”出水圖Fig.8 ‘Eagle Ray’rising from water

2019年，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院研制出新一代噴水式跨介質(zhì)飛行器，如圖9所示。與之前使用壓縮氣體噴出的結(jié)構(gòu)不同，該飛行器采用化學(xué)試劑氧化鈣與水反應(yīng)產(chǎn)生的動(dòng)能，并將其設(shè)計(jì)成三角形以提高其穩(wěn)定性[28]。

圖9 新一代跨介質(zhì)飛行器Fig.9 A new generation of trans-media aircraft

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)跨介質(zhì)飛行器的研究主要集中在樣機(jī)原理驗(yàn)證、跨介質(zhì)過渡兩個(gè)方面[29]。

2009年，北京航空航天大學(xué)研制了一款仿“飛魚”的跨介質(zhì)飛行器，如圖10所示?！帮w魚”的設(shè)計(jì)參照了真實(shí)飛魚、飛鳥兩棲的特性，同時(shí)也參考了飛機(jī)的構(gòu)造，使其具備水面起飛和降落的能力?！帮w魚”通過透水艙和壓載水艙可以完成水下航行作業(yè)。其機(jī)翼采用可變后掠九十度結(jié)構(gòu)，可以減小水下航行的阻力，有利于機(jī)身的快速上浮和排水[30]。

圖10 “飛魚”運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.10 ‘Flying fish’ movement state

2011年，南昌航空大學(xué)研制出了油電混合和純電動(dòng)的跨介質(zhì)飛行器，如圖11所示。兩種樣機(jī)的機(jī)翼采用可變后掠九十度結(jié)構(gòu)以減小阻力。該飛行器水下、水面均采用尾部螺旋槳為其提供動(dòng)力；在空中飛行時(shí)使用機(jī)身前部的螺旋槳提供動(dòng)力。研究人員對(duì)其可行性進(jìn)行了測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其升空阻力過大、動(dòng)力不足，因此沒有完成水面起飛這項(xiàng)任務(wù)[31-33]。

圖11 南昌航空大學(xué)跨介質(zhì)飛行器Fig.11 Trans-media aircraft of Nanchang Hangkong University

2012年，西北工業(yè)大學(xué)在空氣空力學(xué)和二元平面滑行的理論上建立了跨介質(zhì)飛行器的理論模型，對(duì)雙向跨介質(zhì)和影響因素開展了更深入的研究[34]。

2015年，北京航空航天大學(xué)研制了仿“鰹鳥”的跨介質(zhì)飛行器,如圖12所示。首先，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)知識(shí)對(duì)鰹鳥入水進(jìn)行了仿真分析；然后，根據(jù)仿真結(jié)果改進(jìn)機(jī)身結(jié)構(gòu)。在飛行器駛出水面時(shí)，氣泵向頭部的四個(gè)氣球充氣，使機(jī)身垂直并向上漂浮，尾部螺旋槳工作加速飛出水面,飛出水面后機(jī)翼展開[35]。

圖12 “鰹鳥”跨介質(zhì)飛行器Fig.12 ‘Boobies’ trans-media aircraft

2016年，空軍工程大學(xué)提出將跨介質(zhì)飛行器的機(jī)翼多次折疊，使其可以放入形似魚雷發(fā)射筒的運(yùn)載器中，通過魚雷發(fā)射管道發(fā)射出來(lái)，然后由運(yùn)載器攜帶無(wú)人機(jī)至水面彈射出來(lái)[5，36]。

2019年，上海交通大學(xué)研制出帶有浮筒式的跨介質(zhì)飛行器“哪吒”,如圖13所示。“哪吒”具有垂直起飛降落、水空巡航、跨介質(zhì)多次穿越的能力，同時(shí)也利用了海面效應(yīng)，大幅減小了水面航行的阻力，可以有效避開高空雷達(dá)實(shí)現(xiàn)更高效的突防[37-38]。

圖13 “哪吒”跨介質(zhì)飛行器Fig.13 ‘Nezha’ trans-media aircraft

2019年，北京航空航天大學(xué)研制出一款能改變結(jié)構(gòu)的跨介質(zhì)飛行器“飛行烏賊”,如圖14所示。在水下使用噴流推進(jìn)器提供動(dòng)力，但在空中不能持續(xù)飛行[39-40]。

圖14 “飛行烏賊”的樣機(jī)圖Fig.14 The prototype of the ‘flying squid’

跨介質(zhì)飛行器是近年新概念飛行器的研究熱點(diǎn)，現(xiàn)階段已有一些科研機(jī)構(gòu)和高校著手相關(guān)工作，積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，但與國(guó)外技術(shù)水平相比尚有差距[41]。

3 跨介質(zhì)飛行器關(guān)鍵技術(shù)

跨介質(zhì)飛行器兼具飛機(jī)的飛行能力和水下航行器的潛航能力，但是并不是二者之間的簡(jiǎn)單相加，而是多種技術(shù)的集成。空氣和水的物理性質(zhì)差別巨大，水的密度是空氣的 800 多倍，黏性系數(shù)是空氣的 59 倍，因此，跨介質(zhì)與單介質(zhì)飛行器在阻力、氣動(dòng)和水動(dòng)外形、材料和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、推進(jìn)系統(tǒng)、航行或飛行控制、通信方式等方面存在巨大差別。關(guān)于變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器關(guān)鍵技術(shù)研究主要體現(xiàn)在跨介質(zhì)過渡方案設(shè)計(jì)問題、跨介質(zhì)飛行器構(gòu)型設(shè)計(jì)、跨介質(zhì)飛行器動(dòng)力技術(shù)、跨介質(zhì)飛行器入水后的機(jī)體水密技術(shù)、跨介質(zhì)飛行器跨介質(zhì)過程中的姿態(tài)穩(wěn)定控制等問題[27，42]。

3.1 跨介質(zhì)過渡方案設(shè)計(jì)問題

根據(jù)跨介質(zhì)飛行器出入水跨越方式的不同，可將飛行分為漸變式跨越和瞬間式跨越兩種類型。漸變式跨越時(shí)要在水面上滑行一段時(shí)間，然后再起飛或者潛入水中；瞬間式跨越類似導(dǎo)彈出水的瞬間是直接跨越而沒有緩沖的過程。兩種跨越介質(zhì)的方式代表了不同的設(shè)計(jì)理念和作業(yè)要求。漸變式跨越時(shí)機(jī)身受到的沖擊小，飛行器變體時(shí)間充裕，跨越過程中對(duì)控制的要求較低，但是對(duì)飛行器的外形具有較高要求，要滿足機(jī)身結(jié)構(gòu)在水面滑行。因此，此類跨越對(duì)機(jī)身的形狀以及在水中受到的阻力都要考慮在內(nèi)。瞬間式跨越時(shí)機(jī)身受到的沖擊較大，機(jī)身變體的時(shí)間較短，難以把控機(jī)身變體的時(shí)機(jī)，該種跨越介質(zhì)的方式?jīng)_擊力大，難以對(duì)其進(jìn)行控制，且對(duì)機(jī)身的材料強(qiáng)度具有較高要求[43-47]。

3.2 跨介質(zhì)飛行器變構(gòu)型設(shè)計(jì)問題

跨介質(zhì)飛行器需要適應(yīng)水、空兩種介質(zhì)環(huán)境，滿足水下航行、水面滑行、空中飛行三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從水到空和從空到水兩種跨越狀態(tài)，因此該飛行器必須滿足多種航行狀態(tài)的構(gòu)型要求、變體的技術(shù)要求。為了適應(yīng)水和空氣兩種不同介質(zhì)的減阻需要，大部分跨介質(zhì)飛行器采用了變體結(jié)構(gòu),如圖15所示。變體的基本設(shè)計(jì)思路是在空氣中滿足飛行條件，在水中航行時(shí)需要進(jìn)行變體以減小在水中受到的阻力，并滿足耐壓要求和跨介質(zhì)時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。現(xiàn)階段跨介質(zhì)飛行器上的變體結(jié)構(gòu)主要是仿生撲翼、后掠翼和折疊翼。變體技術(shù)雖然能夠很好地解決跨介質(zhì)過渡以及水空航行狀態(tài)的調(diào)整問題，但是變體技術(shù)增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對(duì)控制系統(tǒng)有更高的要求，同時(shí)也增加了操作的難度[48-50]。

3.3 變構(gòu)型跨介質(zhì)動(dòng)力方案設(shè)計(jì)問題

由于空氣和水的氧氣含量以及所要求的工作條件不同，如何設(shè)計(jì)和選擇跨介質(zhì)飛行器的動(dòng)力系統(tǒng)，是飛行器在這兩種介質(zhì)中獲得充足動(dòng)力的關(guān)鍵。目前，傳統(tǒng)的跨介質(zhì)飛行器采用的能源一般是航空燃料類、鋰電池、環(huán)保型燃料。由于水下氧氣量少不能滿足燃料燃燒的需要，所以潛水無(wú)人機(jī)均是采用電能作為能量源。目前跨介質(zhì)飛行器基本采用電動(dòng)式，但是由于變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器機(jī)身大小的限制使電池偏小，導(dǎo)致跨介質(zhì)飛行器的續(xù)航能力不能滿足長(zhǎng)時(shí)間飛行[51-52]。

此外，國(guó)內(nèi)相關(guān)單位也正在開展組合動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)、水沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等研究，為變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器提供動(dòng)力技術(shù)支持。

3.4 跨介質(zhì)飛行器入水后的機(jī)體水密問題

根據(jù)跨介質(zhì)飛行器入水方式的不同，可以把飛行器入水分為間接入水和直接入水。先在水面上滑行然后進(jìn)入水中的稱為間接入水，而沒有滑行階段直接入水的稱為直接入水。其中，間接式入水對(duì)飛行器機(jī)身的沖擊較小，變體時(shí)間充裕，可以更好地把握變體時(shí)機(jī)，但為了滿足滑行減速對(duì)外形結(jié)構(gòu)要求較高。直接式入水對(duì)機(jī)身的沖擊較大，要在很短的時(shí)間內(nèi)完成變體和動(dòng)力轉(zhuǎn)換，該方式跨越介質(zhì)簡(jiǎn)單、速度快因此適合高速飛行器。由空入水時(shí)，空氣螺旋槳停止工作，可折疊的螺旋槳垂下緊貼機(jī)身，排氣裝置開始工作，然后關(guān)閉進(jìn)排氣通道，電機(jī)帶動(dòng)水槳開始工作，為無(wú)人機(jī)水下航行提供動(dòng)力。

跨介質(zhì)飛行器對(duì)水密結(jié)構(gòu)影響較大，水密結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮密封結(jié)構(gòu)的合理布局、工藝分離等問題。

3.5 跨介質(zhì)飛行器跨介質(zhì)過程中的姿態(tài)穩(wěn)定控制

跨介質(zhì)飛行器跨介質(zhì)飛行時(shí)工作環(huán)境復(fù)雜多變且具有較強(qiáng)耦合的運(yùn)動(dòng)過程，為了保證機(jī)身有充足的穩(wěn)定性，同時(shí)滿足變體結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，通過跨介質(zhì)飛行器的氣動(dòng)/水動(dòng)布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證跨介質(zhì)飛行器在兩種介質(zhì)中的縱向和橫向的穩(wěn)定性。通過強(qiáng)擾動(dòng)下的非線性控制技術(shù)、跨介質(zhì)一體化控制技術(shù)、變形協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究提升跨介質(zhì)飛行器姿態(tài)控制的穩(wěn)定性。

4 跨介質(zhì)飛行器發(fā)展展望

目前，針對(duì)跨介質(zhì)飛行器的研究主要從設(shè)計(jì)、仿真和原理樣機(jī)的研制等方面入手，針對(duì)本文提出的技術(shù)難題可從以下方面開展攻關(guān)：

1)聚焦跨介質(zhì)過渡機(jī)理研究：水空過渡過程流場(chǎng)變化十分復(fù)雜，需要進(jìn)行大量的仿真和實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中工作機(jī)理進(jìn)行研究分析，為其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制和完善提供充足的理論依據(jù)。

2)開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：跨介質(zhì)飛行器第一代樣機(jī)主要起到驗(yàn)證作用，存在結(jié)構(gòu)上的問題，需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證強(qiáng)度的情況下盡量?jī)?yōu)化機(jī)身的結(jié)構(gòu)、減小機(jī)身的質(zhì)量及水下受到的阻力。

3)加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)控制研究：在空中多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)飛行控制參數(shù)，在水下優(yōu)化控制參數(shù)獲得較好的航行性能，在跨介質(zhì)時(shí)制定好控制策略以便于在復(fù)雜的情況下飛行器能保持平穩(wěn)運(yùn)行。

4)推動(dòng)新型能源方案試驗(yàn)：開展氫質(zhì)子交換膜燃料電池方案研究，該方案可以把燃料的化學(xué)能有效轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽哂匈|(zhì)量小、能量大的優(yōu)點(diǎn)且密封性好，適合在水下工作。

5)拓展新的任務(wù)模式：跨介質(zhì)飛行器可以與潛艇、反潛艇等協(xié)同使用，更大程度地發(fā)揮跨介質(zhì)飛行器的價(jià)值?？缃橘|(zhì)飛行器可以配合潛艇進(jìn)行作戰(zhàn)，能為潛艇偵察敵情、勘測(cè)地形，也可以由潛艇遠(yuǎn)程遙控對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)打擊，可以充當(dāng)潛艇的“拳頭”和“眼睛”。同時(shí)，無(wú)人機(jī)群還能進(jìn)行信息交互，多維度的偵察敵情，大大增強(qiáng)了潛艇對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的把控、減小了被發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)、增強(qiáng)了潛艇的總體作戰(zhàn)能力。

隨著技術(shù)的發(fā)展，跨介質(zhì)飛行器自主作戰(zhàn)能力越來(lái)越強(qiáng)，可以作為突破敵人防線的利器，還可以作為偵察和通信中繼，同時(shí)可以完成掃雷、反潛等作戰(zhàn)任務(wù)，尤其是機(jī)群的建立，使其具備更大的殺傷力，讓敵人防不勝防，勢(shì)必成為海軍作戰(zhàn)的中堅(jiān)力量。