共轴双桨式空海跨介质航行器及其设计方法

1.本发明涉及一种共轴双桨式跨介质航行器及其设计方法，可以重复跨越水空界面并在两种介质中稳定航行，属于海洋工程装备技术领域。


背景技术：

2.近年来，随着航空航海技术的快速发展和融合，以及海洋空间探测领域的不断拓展，越来越多的国家和研究者开始关注跨介质航行器。跨介质航行器通常是指能够多次跨越水空界面，并可以在不同介质中持续航行的装备。
3.现有技术中的跨介质航行器的外形多采用常规固定翼飞行器布局或多旋翼飞行器布局，这两类跨介质航行器各自拥有独特的性能优势与不足。固定翼式跨介质航行器在空中拥有较低能耗和较高飞行速度，但其机动性与操纵性不如旋翼式航行器，无法实现低速飞行和空中悬停。同时，也正是因为缺少了低速状态下稳定运动的能力，固定翼式跨介质航行器只能是以高速状态进行跨介质运动，即以快速俯冲的方式入水或以高速冲出的方式出水，又或是采用滑跑式起降的方式出入水。所以，固定翼式跨介质航行器在出入水时难以避免剧烈的流体阻尼和冲击，这对固定翼式航行器在跨介质过程中的结构安全、动力性能以及操控技术有着更严苛的要求。
4.相比之下，多旋翼式跨介质航行器继承了多旋翼无人机出色的操纵性，具备稳定低速飞行、垂直起降以及定点悬停能力。然而，多旋翼航行器的桨盘面积较大，在航行器水下运动时会产生较大的阻力，水动力性能相对较差。因此，开发具有良好的水面机动性性能及空中悬停性能的跨介质航行器是非常有必要的。


技术实现要素：

5.为解决以上技术问题，本发明提供一种共轴双桨式跨介质航行器。基于水空混合驱动的概念，以共轴双桨的方式在航行器顶端布置空用可折叠对转双旋翼，以均匀分布的方式在航行器末端布置三个与航行器本体有一定角度的水下推进器。
6.空用折叠双旋翼在航行器出水瞬间，高速对转，桨叶在离心力作用下张开并产生足够升力，实现出水和飞行，同时对转双旋翼可相互抵消旋转的动态扭矩，保持航行器本体平衡；
7.当航行器入水后，共轴双桨停止转动，桨叶在重力作用下折叠，以减小水面航行阻力。航行器入水后，依靠末端三个水下推进器提供动力航行，且依靠三个推进器的推力分配不同进行差分控制，实现转向和姿态调整，需要出水时，依靠三个推进器进行差分控制，使航行器出水时可保持竖直状态。
8.本发明还提供了上述航行器设计方法：
9.通过拉力计算公式选取桨叶尺寸；
10.通过ansys仿真软件分析不同旋翼间距下的气动性能，选取旋翼距离；
11.通过建立航行器水面航行时的动力学方程，采用aqwa软件和fluent软件进行水动
力系数求解，根据结果不断进行结构参数优化；
12.通过solidworks软件对航行器的各个零部件的材料密度进行赋值，应用质量属性工具对航行器模型质量、重心、体积惯性矩进行相关计算；
13.采用rhino软件划定航行器水线，进行浮心位置及浮力求解；通过优化耐压水密舱外形尺寸、内部元件质量分布调整航行器重心、浮心的相对位置，使航行器平稳的出入水面以及水面巡航。
14.本发明的有益效果：本发明的航行器整体呈低阻流线型，能够有效减少航行器在水面航行时的阻力，提高机动性能。同时通过优化耐压水密舱外形尺寸、内部元件质量分布等方法使航行器的浮心位于重心上方，保证航行器平稳的出入水面以及水面巡航。
附图说明
15.图1为航行器整体结构图；
16.图2a为naca-6409翼型桨叶在不同雷诺数下升力系数、阻力系数变化图；
17.图2b为naca-6409翼型桨叶在不同雷诺数下升阻比、俯仰力矩系数随迎角变化图；
18.图3为航行器出水过程时，桨叶尺寸与出水高度示意图；
19.图4为航行器入水后，在重力及浮力作用下的姿态图；
20.图5为推进器安装角度示意图；
21.图6为航行器控制系统结构图；
22.图7为水下推进电机控制示意图。
具体实施方式
23.为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
24.如图1所示，本实施例采用以下技术方案：包括主轴、空用旋翼系统(导流罩1、桨毂2、空用电机安装座3、上桨叶4、下桨叶5)、驱动机构、操纵机构、流线性外壳、耐压水密舱、水下推进器安装座、水下推进器和控制系统。
25.本实施例的主轴上开设有定位孔，空用旋翼系统、驱动机构及操纵机构自上依次安装在主轴上，且对称分布。
26.本实施例的流线型外壳6用于连接航行器空中飞行部分和水面航行部分。水下推进器设置有三个，与安装座固定连接，沿周向均匀分布，且与航行器本体有一定夹角，推力延长线交于一点，保证航行器多自由度运动。
27.在本实施例中，空用旋翼系统用于提供飞行动力，水下推进器用于提供水下动力。耐压水密舱用于对控制机构、姿态传感器、电源设备、通信设备等电子元件固定安装并密封，从而使得航行器可以在水面航行。
28.进一步，所述的空用旋翼系统由桨叶、桨夹、桨毂等组成，桨叶通过桨夹和桨毂连接，桨夹采用流线型结构，桨叶在重力作用下可以进行轴向折叠，以减小航行阻力。
29.上下两层旋翼在离心力作用下展开，并高速旋转使桨叶上下面压力不平衡，由此产生升力使航行器飞行；周期变距时，桨叶升角不均匀改变使旋翼桨盘倾斜，由此可产生水平方向分力，使航行器具有前飞力和滚转力。
30.对桨叶翼型的选型是旋翼系统的核心环节，桨叶的剖面形状称之为翼型。在翼型的选择上，充分考虑航行器的设计指标。选定naca-6409翼型桨叶。该翼型不同雷诺数下升力系数、阻力系数、升阻比、俯仰力矩系数随迎角的变化如图2a和图2b所示。
31.对于旋翼的拉力和转矩的计算可以采用如下公式：
[0032][0033][0034][0035][0036][0037]
其中n(单位：rpm,转每分钟)为螺旋桨转速，dp(单位：m)为螺旋桨直径，ct和cm分别为无量纲的拉力系数和转矩系数。ρ为飞行环境空气密度，是关于飞行海拔高度h(单位：m)和温度tt(单位：℃)的函数。
[0038]
桨叶尺寸的选取应满足以下两个要求：通过估算起飞总重，从而计算航行器所需要的拉力，根据上述公式选取合适的桨叶尺寸；如图3所示，在准备进行出水介质跨越时，航行器在三个推进器的作用下处于垂直状态，并保持相对稳定，空用桨叶在折叠情况下应在水平面以上，保证能高速平稳的展开。
[0039]
与单旋翼工作有较大不同，共轴双旋翼之间存在气动干扰，因此上下旋翼之间合适的间距对提高旋翼系统的气动性能很有必要。通过ansys软件建立航行器双旋翼的仿真模型，得到不同间距下共轴双旋翼的压强及流线分布，结果表明旋翼间距h＝0.385r(r表示旋翼半径)。时的气动性能良好，是双旋翼单元的最佳布局选择。
[0040]
本实施例的耐压水密舱7包括上水密舱盖、下水密舱盖、o型密封圈及圆柱形外壳。水密舱内部还设置有控制机构、电源设备、通信设备及姿态传感器。电源设备用于给水下推进电机、空用电机、舵机和控制机构供电，控制机构用于控制水下推进电机、空用电机及舵机。电机、舵机、水下推进电机与控制机构和电源设备的连线同样设置在耐压水密舱内部。
[0041]
水下推进电机与控制机构和电源设备的连接线同样设置在耐压水密舱内部。为了实现舱内外设备之间的电力、通信连接，同时考虑到设备安装、维护、拆卸的便利性，两端的密封舱盖上分别设计了三个水密线缆穿舱件。
[0042]
本实施例的耐压水密舱设置在航行器下方，通过优化水密舱外形尺寸、内部元件质量分布等方法可以对航行器重心位置进行调节，确保航行器入水后在不施加任何外力的情况下能够与水面保持一定角度的倾斜，有利于水面航行。
[0043]
所述外形尺寸包括密封舱的内径、外径及高度，采用rhino软件划定航行器水线，可以进行浮心位置及浮力求解。通过solidworks软件对内部元件材料密度进行赋值，应用
质量属性工具对模型质量、重心、体积惯性矩等进行相关计算，确保航行器入水后在重力及浮力的作用下保持图4所示姿态。航行器应能在重、浮力的作用下保持平衡，并与水面有一定夹角，该角度应在30
°
至45
°
之间，方便航行器在推进器的差分作用下进行水面航行姿态及垂直出水姿态的转换。
[0044]
本实施例的水下推进器安装座8设置在耐压水密舱的底部，与下水密舱盖固定连接。航行器在水面航行时，依靠三个推进器9的推力分配不同进行差分控制，能够实现转向和姿态调整；需要出水时，依靠三个推进器进行差分控制，使航行器可保持竖直状态并向上移动一定距离，确保空用旋翼可以在离心力的作用下展开并高速旋转。综合考虑三个水下推进器之间的相互作用、推进器与水流之间的相互作用、推进器与航行器本体之间的相互作用以及是否方便安装等因素，选取最合适的推进器安装角度，如图5所示。
[0045]
如图6所示，本实施例的控制系统主要包括飞行控制系统、水下运动控制系统、电子调速器、姿态传感器、通信设备。所述飞行控制系统采用旋翼的通用飞行控制器(简称飞控)，通用飞控系统与航行器的电气系统之间具有良好的兼容性，除了能够提供稳定可靠的飞行以及垂直起降操作，还能以更为简便的方式集成进入航行器的整个控制逻辑框架和电机系统架构之中。
[0046]
进一步，所述水下运动控制系统负责将姿态传感器传输的数据进行融合处理，实现对螺旋桨的转速分配，并对所接收数据进行存储，同时还能够监控系统运动状态；所述姿态传感器模块用于获取航行器位置、角度等信息，并实现与控制模块的通信，见图7。
[0047]
跨介质航行器在水面航行时主要受到辐射力、海洋环境外力、推进器推力。其中辐射力包括附加质量力、阻尼力以及回复力，海洋环境外力主要包括风、浪、流作用。由此可建立航行器在水面航行时的动力学方程：
[0048][0049][0050]
ma为航行器的附加质量矩阵，ca为科里奥利力和力矩的附加质量部分，d(|v|)为阻尼矩阵，g(η)为航行器回复力。
[0051]
航行器的附加质量可以采用aqwa软件进行分析计算。针对具有复杂外形的跨介质航行器可以采用基于有限元方法的流体计算软件fluent进行计算，分别分析三个平移自由度、三个旋转自由度在不同速度下的阻尼力，并通过matlab软件进行拟合。根据计算结果可以不断进行结构参数优化。
[0052]
本实施例的操纵机构包括倾斜盘、防水舵机、连杆。用于操纵舵机产生不同摆角改变倾斜盘平面进一步改变下旋翼升力方向。
[0053]
在本实施例中，上、下桨叶可以沿轴向进行折叠，方便收纳，在水下航行时能减小阻力，且采用上旋翼不可变距、下旋翼可变距的结构。上旋翼只在水平面内产生转动运动，由于该共轴旋翼飞行器采用半差动方式改变姿态，通过改变下旋翼的迎角来实现俯仰和横滚，所以下旋翼不仅可做水平方向的转动，还必须可以在与水平面有一定倾斜角度的平面内旋转。下旋翼系统结构除与上旋翼结构组成相同的部分外，还添加了两个球头拉杆，球头拉杆与下方倾斜盘相连，能够实现下旋翼在一定角度内的旋转。
[0054]
在本实施例中，两个舵机通过固定装置左右对称安装在中轴上，并通过长连杆与
倾斜盘固定连接，倾斜盘位于中心球铰球头外侧，并通过短连杆与下旋翼固定连接。倾斜盘由倾斜盘驱动盘、球铰外壳、薄壁轴承、倾斜盘活动级和限位装置组成。
[0055]
跨介质航行器的主要工作过程如下：
[0056]
空中飞行模式时，航行器通过控制上下旋翼的转速及舵机的动作来实现航行器在空中不同的飞行状态和姿态，完成相应的空中工作；当航行器需要进行入水介质跨越时，航行器下落到指定高度，关闭空用电机，此时上、下桨叶由于重力的作用进行轴向折叠，航行器同样在重力的作用下缓慢垂直入水。
[0057]
航行器入水后，控制系统通过控制水下推进器调整航行器姿态至巡航姿态，进行水面航行；当航行器需要出水介质跨越时，控制系统结合姿态传感器反馈的数据，采用pid控制，对水下推进器进行转速分配，使航行器稳定的垂直于水面上，此时，驱动空用电机，空用桨叶在离心力的作用下展开并高速旋转，水下推进器和空用桨叶共同工作将航行器拉出水面，出水后关闭水下推进器。
[0058]
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
[0059]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

技术特征：
1.共轴双桨式空海跨介质航行器，其特征在于：以共轴双桨的方式在航行器顶端布置空用可折叠对转双旋翼，以均匀分布的方式在航行器末端布置三个与航行器本体有一定角度的水下推进器。2.根据权利要求1所述的共轴双桨式空海跨介质航行器，其特征在于：旋翼中的桨叶选用naca-6409翼型桨叶。3.根据权利要求2所述的共轴双桨式空海跨介质航行器，其特征在于：通过估算起飞总重，计算航行器所需要的拉力，进而确定桨叶尺寸。4.根据权利要求1所述的共轴双桨式空海跨介质航行器，其特征在于：航行器中段的耐压水密舱外形尺寸和内部元件质量分布决定所述航行器重心位置，确保航行器入水后在不施加任何外力的情况下能够与水面保持一定角度的倾斜。5.根据权利要求4所述的共轴双桨式空海跨介质航行器，其特征在于：所述外形尺寸包括密封舱的内径、外径及高度，采用rhino软件划定航行器水线，进行浮心位置及浮力求解。6.根据权利要求5所述的共轴双桨式空海跨介质航行器，其特征在于：通过solidworks软件对内部元件材料密度进行赋值，应用质量属性工具对模型质量、重心、体积惯性矩进行相关计算；确保航行器入水后在重力及浮力的作用下保持平衡，并与水面有一定夹角，该角度为30
°
～45
°
。7.根据权利要求1至6中任一项所述的共轴双桨式空海跨介质航行器，其特征在于：航行器在水面航行时，依靠三个水下推进器的推力分配不同进行差分控制，实现转向和姿态调整；航行器出水时，依靠三个推进器进行差分控制，使航行器保持竖直状态并向上移动一定距离，确保空用可折叠对转双旋翼在离心力的作用下展开并高速旋转。8.共轴双桨式空海跨介质航行器设计方法，针对权利要求1所述的共轴双桨式空海跨介质航行器，其特征在于：通过拉力计算公式选取桨叶尺寸；通过ansys仿真软件分析不同旋翼间距下的气动性能，选取旋翼距离；通过建立航行器水面航行时的动力学方程，采用aqwa软件和fluent软件进行水动力系数求解，根据结果不断进行结构参数优化；通过solidworks软件对航行器的各个零部件的材料密度进行赋值，应用质量属性工具对航行器模型质量、重心、体积惯性矩进行相关计算；采用rhino软件划定航行器水线，进行浮心位置及浮力求解；通过优化耐压水密舱外形尺寸、内部元件质量分布调整航行器重心、浮心的相对位置，使航行器平稳的出入水面以及水面巡航。

技术总结
本发明提供一种共轴双桨式跨介质航行器，以共轴双桨的方式在航行器顶端布置空用可折叠对转双旋翼，以均匀分布的方式在航行器末端布置三个与航行器本体有一定角度的水下推进器，组成水空双驱动系统。航行器整体呈低阻流线型，能够有效减少航行器在水面航行时的阻力，提高机动性能。同时通过优化耐压水密舱外形尺寸、内部元件质量分布等方法使航行器的浮心位于重心上方，保证航行器平稳的出入水面以及水面巡航。及水面巡航。及水面巡航。


技术研发人员：刘硕 杜驰浩 张宇 陈一凡 王滔 夏添
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.08.30
技术公布日：2023/10/19