关于水路两栖无人机的创新

朱彬+虞锦涛+陈健

摘 要：水空两栖无人机是一种既能在天上飞也能在水下上浮，下潜，流畅航行的新型航空航海器，本文针对此类两栖无人机进行了创新，采用船身结构并添加机翼，通过添加液压平衡控制器控制左右旋翼，实现了在空中和水中两种不同状态下的运行的可行性。

关键词：水空无人机；创新；液压平衡控制器

1 绪 论

1.1水空两栖无人机课题的来源

随着人类对无人机技术的不断开发，人类对无人机已经不仅仅满足于其在空中遨游、地上奔跑，将无人机的“涉猎”范围扩张到水里。水下无人机并不是这几年才有的创意，早在2007年Warrior公司称，正与英国自主系统技术有关空中评价与评估（ASTRAEA）团队就“海鸥（Gull）”36两栖无人机进行谈判。2015年12月的时候，迪兹向美国海军研究机构官员演示了“Naviator”无人机设计，随后便获得了他们的资助。迪兹说：“他们告诉我说，以前从未见过这样的东西。”尽管这一概念令人不禁想起那些能上天入地的动物的技能，但迪兹称这种无人机同时精通飞行和潜水两种任务，简直无视大自然的规律。迪兹说，“水禽的飞行能力仍然强于游泳能力，而飞鱼的游泳能力仍然强于飞行能力。我们的设备则同时擅长这两种技能。从某种意义上讲，我们是在挑战自然规律，而不是遵从原有的自然法则。”这种无人机在许多情况下可以助海军以一臂之力。它既可以在水下和水面展开搜索，还可以帮助寻找失踪的游泳者和水手。因此本课题将对水空两栖无人机运行系统上进行创新研究，提出一种能控制在水下和空中运行的系统方案。

1.2水路两栖无人机课题的意义

水路两栖无人机与载人飞机相比，它具有体积小、造价低、使用圆便、对作战环境要求低、战场生存能力较强等优点，备受世界各国军队的青睐。在几场局部战争中，无人驾驶飞机以其正确、下效和灵便的窥测 、干扰、欺骗、搜索、校射及在非正规条件下作战等多种作战能力，发挥着明显的作用，对未来的军事斗争造成较为深远的影响。而且水路两栖无人机，不仅能在空中做侦查 更是能在水中隐藏在刺探敌情，对于以后军事上有极为重要的意义，更有 一些专家预言：“未来的空战，将是具有隐身特性的无人驾驶飞行器与防空武器之间的作战。”可见专家对无人机的重视。

2 直升机原理

2.1 直升机基本原理说明

直升机飞行时，旋翼不断旋转，空气流过桨叶上表面，流管变细，流速加快，压力减小；空气流过桨叶下表面时，流管变粗，流速变慢，压力增大。这样以来桨叶的上下表面就形成了压力差，桨叶上产生一个向上的拉力。旋翼水平旋转时，自然产生向上的升力，这是直升机得以垂直起落和悬停的基本条件。旋翼向前倾斜，自然就在产生升力的同时，产生前行的推力。

2.2 横列双旋翼直升机原理及优点

直升飞机除单旋翼、四旋翼以外，横列双旋翼也是常见的一种。横列双旋翼的两个旋翼，旋转方向相反，从而抵消相互的反扭力。横列双旋翼直升机主要优点是结构紧凑，外形尺寸小。这种直升机因无尾桨，所以也就不要装长长的尾梁，机身长度也可以大大缩短。有两副旋翼产生升力，每副旋翼的直径也可以缩短。机体部分可以紧凑地安排在直升机的重心处，所以飞行稳定性好，也便于操纵。与单旋翼带尾桨直升机相比，其操纵效率明显有所提高。此外，其悬停效率也比较高。

3 两栖无人机原理

3.1 两栖无人机——空中飞行

空中飞行时，只允许左、右旋翼工作，且左、右旋翼转速相同。飞机悬停方向的控制是角动量守恒定律的应用。直升机在发动前，系统的总角动量为零。在发动后，旋翼在水平面内高速转动，系统会出现一个竖直向上的角动量。由旋翼产生的升力竖直向上，方向通过大致与机身垂直的直立轴，飞机受重力也通过该轴，升力和重力对该轴均不产生力矩，故系统的角动量守恒。在直立轴上安装一对相反方向旋转的旋翼，通过对两旋翼旋转角速度的控制，实现无人机悬停方向的改变。通过液压平衡控制器控制旋翼的倾斜角度实现空中的飞行、转向、悬停。

3.2 水中运行

下潜后，小旋翼作为无人机的动力，实现前进；舵板通过尾部的伺服电机控制其左/右翻动一定角度，从而实现向左/右转弯；左、右旋翼低速转动，从而实现机身的向上或者向下运动。

4 两栖无人机动力系统的的设计

动力装置发展至今，从开始的活塞发动机，到后来的燃气涡轮发动机、火箭发动机、电动机、核能发动机、太阳能发动机等，这些动力装置有的用于飞机、汽车，有的用于船舶、潜艇、鱼雷，他们中有的必须要氧气，因此一般情况下只适用于水上，有的不需要氧气或自带氧气，适用于水下也适用于水上。

由于两栖无人机既要在空中飛行，又要在水下航行，需要能在水上和水下都可以使用的动力装置，火箭发动机具有高推力、高排气速度、高推重比等特点，正因为这些特点，不适于用到低速的两栖无人机上，核能发动机也是如此，而太阳能发动机应用还不是很广泛，在水下的性能也无法保证，因此只有电动机才是本课题的首选。电动机被广泛地用于各种无人机上，其运行不需要空气，而且其中的无刷电机还具有一定的防水性，可以用在两栖无人机上。但是电动机需要电池带动，电池的能量密度远低于燃油，如果要长时间使用，那么所需的电池就很大，重量就必然增加，要实现两栖无人机更好的飞行和潜航性能，还需要寻求其他的途径。

本课题最终选定采用两个动力装置的方案，在采用的两个动力装置中，依赖空气的发动机主要在水上和空中使用，可以选用的有活塞发动机和燃气涡轮发动机，由于是中小型的无人机，所以选用活塞发动机；而另一个不依赖空气的动力装置，可选用电池、燃料电池或水反应金属发动机，为满足飞机在水中航行需要，该动力系统需要解决动力传动系统的重量问题及防止燃油发动机骤冷骤热的问题。本课题借鉴汽车油电混合动力技术，采用活塞发动机与用动力锂电池电动机两套系统，分别独立地为两栖无人机提供动力。

5 结 论

两栖无人机是一种平时主要用于空中飞行，在海面等水域上空执行任务时可隐蔽到水面下，在水中进行短暂的航行，而后又可以从水下上浮到水面，最后再次飞到空中的新型多栖飞行器。

经过本文的研究，提出了一种可行的水空两用无人机动力系统的方案，但通过详细分析和实验验证，该方案只适用于低速短距的两栖无人机，在密封防水和水面飞行上还存在一些问题。具有类似两栖无人机功能的飞行器将来必将用于海陆空多维作战中，并能起到积极的作用，因此此类飞行器的研究必将向高速长距方向发展。

参考文献：

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[4]刘霞，飞行潜艇或能“上天入海”【N】.科技日报，2010.07.07（002）