一种跨介质飞行器装置及其控制方法与流程

本发明涉及跨介质运行装置技术领域，特别是涉及一种跨介质飞行器装置及其控制方法。

背景技术：

近年来，航空器和潜艇发展迅速，各类航空器在空中飞行的性能越来越优异和完善，潜艇在潜水性能上也不断发展和进步。这两种机器仅仅是在单介质中航行的，这时人们就想能不能结合航空器的空中飞行能力和潜艇的潜水航行能力，创造出一个跨水空两介质的新概念飞行器，即跨水空两介质飞行器。这种飞行器是潜艇和航空器的结合体，既能像航空器一样在空气中飞行，具有较好的机动能力和广阔的视野，也能像潜艇一样在水中潜行，具有良好的隐蔽能力和水下作业能力。

在军事运用方面，跨水空两介质飞行器综合利用了飞机和潜艇的侦察、突防和攻击能力，利用跨介质的特点，可以获得水下，水面上以及空中的范围广阔的更加全面的敌方信息；利用飞机的空中飞行能力，可以实现快速掌握战场局势，具有更广阔的视角以及快速突防和打击能力；利用潜艇的潜水能力，可以实现水下潜伏，目标探测，隐蔽打击敌方的能力。当跨介质飞行器潜水时，可以观察敌人军舰或潜艇的位置，从而可以进行近岸保护、突破封锁、侦察和掩饰特种部队行动等一系列战前重要任务。其主要攻击对象首选为敌方的运输船或商船，能利用水介质掩护进行隐蔽活动和对敌方实施突然袭击；有较大的自给力、续航力和作战半径，可远离基地，在较长时间和较大海洋区域以至深入敌方海区独立作战，有较强的突击威力；当跨介质飞行器从水中跨介质到空气中飞行时，能携带炸药，导弹、鱼雷等装置，攻击海上和陆上目标，这种跨介质飞行器可以大大提高现代海军的综合作战能力。

在民事运用方面，该飞行器也有巨大的经济效益和实际应用意义。这种无人的跨水空两介质的飞行器既可以像无人机一样实现空中探测火灾，洪灾和海难等各种自然灾害情况，也可像水下探测器或潜艇一样实现水质监测、海洋科学研究、抢救财物、勘探开采、科学侦测、维护设备、搜索援救、海底电缆维修、水下旅游观光、学术调查等一系列任务。仅仅一个跨介质飞行器可以实现多介质的多方面的且目前需要多种设备才能实现的功能与任务，这大大提高了办事效率和节省了各类设备的生产成本，实现“一器多用”。

为了研制这种跨介质无人机，目前很多人，团队和机构提出了很多种设计方法，包括美国的“鸬鹚”潜射无人机，美国的“海上搜索者”无人机，美国海军研究实验室研制的“xfc潜射无人机”，英国帝国理工学院的siddall等人利用仿生动物设计研制出了一款桨式推进仿鲣鸟两栖飞行器“aquamav”，北卡罗来纳州立大学和特力丹科学与成像公司联合开发了“鹰鳐”(eagleray)固定翼跨介质航行器，北京航空航天大学开发了一款仿鲣鸟水空两栖跨介质无人飞行器，空军工程大学廖保全，冯金富等人提出一种通过两次向上折叠弹翼改变外形的跨介质航行。其基本方案是：入水时通过变体结构折叠机翼后俯冲入水；出水时，先通过改变自身密度使飞行器浮出水面，然后调整姿态由自身动力或运载器发射出水，起飞过程中，通过变体结构张开机翼转化成固定翼飞行。

现有的跨介质无人机入水时，一般采用折叠机翼俯冲入水的方式，出水时依靠自身动力装置(例如：水泵，化学反应装置)或运载器(弹射装置，鱼雷发射器或小型火箭助推器)，虽然能够完成跨介质这一完整的过程，但这些设计存在一些共同的缺点：1)折叠装置在入水过程中高空入水对结构破坏性较大；2)这类跨介质飞行器均为单次跨介质飞行器，发射一次后需要再次调整才能使用；3)出水后转换成固定翼飞行状态时，对控制要求较高，也就是控制难度大，空中机动性差；4)在水中航行时，姿态比较难调整，水中机动性差，有的甚至缺乏水中机动性能。

申请公布号为cn111717382a的中国专利公开了一种水空两栖跨介质多旋翼飞行器，包括机身、涵道推进器及六个旋翼单元，机身为碟形机身，涵道推进器设置于机身外围，对称安装于机身左右两端面，机身表面设有六个通孔，旋翼单元设于此通孔中心，该方案虽然结合了空中无人机和水下机器人的特征，可实现空中飞行、陆地降落和水中推进的运动功能，但是，在由水中跨入空气或由空气进入水中的过程中，无法对旋翼单元进行保护，因此，该方案虽然能实现两栖运行，但是，在由空气进入水中和由水中进入空气中时，会对旋翼单元造成损伤，而无法实现安全的跨介质过程，因此，该方案实际上并不能实现水下运行。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种跨介质飞行器装置及其控制方法，以解决上述现有技术存在的问题，飞行器主体包括顺次连接的入水部、收纳部和出水部，动力翼能够收纳进收纳部的容纳腔内，在入水和出水的过程中保证动力翼的安全，并在入水后和出水后，对动力翼进行展开，实现在空中和水中的运行。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种跨介质飞行器装置，包括飞行器主体和若干动力翼，所述飞行器主体包括顺次连接的入水部、收纳部和出水部，所述收纳部沿周向均匀设置有若干容纳腔，所述动力翼能够自动向内收放在所述容纳腔内并自动向外展开到所述容纳腔外，若干所述动力翼展开后成放射状分布。

优选地，所述容纳腔内设置有转动轴，所述动力翼通过所述转动轴连接在所述容纳腔内。

优选地，所述动力翼包括旋转支架和设置在所述旋转支架上的旋翼，所述旋转支架与所述转动轴转动连接。

优选地，所述旋转支架包括相互连接的支撑杆和半圆形框架，所述旋翼设置在所述支撑杆上，所述半圆形框架包括直线段和圆弧段，所述转动轴连接在所述直线段中点，所述直线段的长度等于所述容纳腔的开口宽度。

优选地，所述收纳部为正四棱柱结构，所述容纳腔设置在所述正四棱柱结构的侧面上，且所述容纳腔的开口宽度小于或等于所述正四棱柱结构的宽度。

优选地，相对设置的所述半圆形框架位于同一平面内，相邻设置的所述半圆形框架位于不同平面内。

优选地，所述入水部和所述出水部均为正四棱锥结构。

优选地，所述正四棱锥结构内部设置有储水舱。

本发明还提供一种跨介质飞行器装置的控制方法，

当出水时，出水部朝上将飞行器装置由水中向空气中发射出去；上升至一定高度时，动力翼展开到飞行器主体外部，提供动力；

当入水时，所述动力翼收放回所述飞行器主体内，入水部朝下将所述飞行器装置自由落体入水。

优选地，在水中航行时，所述动力翼展开到所述飞行器主体外部，提供动力。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明飞行器主体包括顺次连接的入水部、收纳部和出水部，利用入水部和出水部与水体或空气直接冲击，只需要对入水部和出水部进行相应的优化，来减小空气或水体的阻力影响，同时，在入水和出水过程中将动力翼收纳进容纳腔内，在空中或水中运行时再将动力翼展开到应用状态，能够在入水和出水的过程中保证动力翼的安全，并在入水后和出水后，实现在空中和水中的运行；

(2)本发明动力翼通过旋转轴连接在容纳腔内，通过旋转运动实现动力翼的展开和回收，结构简单，容易实现；动力翼包括半圆形框架，并且半圆形框架包括圆弧段和直线段，无论动力翼旋转到展开状态还是回收状态，均能通过直线段实现对容纳腔开口的封闭，从而在入水的过程中以及在水中航行的过程中能够避免水流冲击进入容纳腔，进一步的提高对于动力翼的保护效果；

(3)本发明容纳腔的开口宽度等于正四棱柱结构的宽度，半圆形框架直线段的长度等于容纳腔的开口宽度，因此，半圆形框架直线段的长度等于容纳腔的开口宽度，此时，能够将半圆形框架进行最大化设置，进而能够增大旋翼的直径大小，从而能够提高旋翼的升力，保证跨介质飞行器装置的顺利飞行；另外，相对设置的半圆形框架位于同一平面内，相邻设置的半圆形框架位于不同平面内，能够合理的应用飞行器主体收纳部的空间，避免动力翼收放过程的干涉，保证稳定运行；

(4)本发明入水部和出水部均采用正四棱锥结构，能够在入水和出水的过程中很大程度上减小空气或水的阻力，保护了飞行器装置的结构，降低了对材料强度和刚度的要求；

(5)本发明在四棱锥结构内设置有储水舱，而四棱锥结构作为入水部和出水部，能够实现对于飞行器装置整体姿态的调整，使其在入水和出水的过程中保持竖直状态，即能够保证入水部和出水部与水直接接触冲击，并能够实现在水中停留位置的调整。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明动力翼回收后的状态示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为本发明动力翼展开过程中的状态示意图；

图4为本发明动力翼完全展开后的状态示意图；

图5为图4的剖视图；

其中，1、出水部；2、收纳部；3、入水部；4、动力翼；41、半圆形框架；411、圆弧段；412、直线段；42、支撑杆；43、旋翼；5、储水舱；6、转动轴；7、容纳腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种跨介质飞行器装置及其控制方法，以解决现有技术存在的问题，飞行器主体包括顺次连接的入水部、收纳部和出水部，动力翼能够收纳进收纳部的容纳腔内，在入水和出水的过程中保证动力翼的安全，并在入水后和出水后，对动力翼进行展开，实现在空中和水中的运行。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-5所示，本发明提供一种跨介质飞行器装置，包括飞行器主体和若干动力翼4，其中，飞行器主体包括顺次连接的入水部3、收纳部2和出水部1，飞行器主体的外观形状主要根据各部分的功能进行相应的设计，比如根据入水部3和出水部1所需求的减小阻力的功能进行设计，根据收纳部2容纳相关设备的功能进行设计，因此，对于飞行器主体的外观可以为在圆柱形或棱柱形的基础上进行优化，当然也可以采用能够实现主要功能的其他外观形状。在飞行器装置入水过程中，入水部3首先接触水面，入水部3可以采取强度和刚度更优的材料加工制成，并且可以采取减小水流阻力的措施，比如设置成尖端或接触面设置成平滑的表面。在飞行器装置出水过程中、露出水面前，飞行器装置在水中航行，出水部1始终与水接触，需要克服水的阻力，因此，出水部1同样可以采用强度和刚度更优的材料，并且采用减小水流阻力的措施。需要说明的是，入水部3、出水部1和收纳部2之间可以采用现有的连接方式(比如焊接、铆接、螺栓连接等方式)进行连接，也可以采用整体一体制作成型，只是在功能上进行区分，并没有在结构上进行明确的分界。收纳部2沿周向均匀设置有若干容纳腔7，容纳腔7的开口朝向外侧，动力翼4能够自动向内收放在容纳腔7内并自动向外展开到容纳腔7外。也就是说，动力翼4通过自动控制的方式进行展开和收放，在达到预设的条件后即进行相应的动作，例如，在由水中进入到空中后，动力翼4展开到容纳腔7的外部，开始对飞行器装置提供飞行动力；在即将入水时，将动力翼4收放到容纳腔7内，飞行器装置的入水部3向下进入水中，避免水流直接冲击动力翼4，进而保证动力翼4的安全；在进入水中后，动力翼4可以再次展开，提供飞行器装置的航行动力。对于动力翼4收展的具体方式，可以采用滑动的方式，即容纳腔7内设置有滑轨，动力翼4通过滑轨可以滑动收放在容纳腔7内或者展开到容纳腔7外；还可以采用转动的方式，即容纳腔7内设置有转动轴6，动力翼4可以转动进入或转出容纳腔7，实现收放和展开；亦或是采用折叠的方式，即动力翼4可以分成两个或多个折叠部分，折叠部分之间设置有合页或类似合页的结构，通过动力装置实现不同的折叠部分进行翻折，进而收放在容纳腔7内或展开到容纳腔7外。由于容纳腔7均匀设置在收纳部2的周向，在动力翼4全部展开后能够形成放射状分布，此时，能够提供飞行器装置均匀的动力来源，保证飞行和航行的稳定性。另外，不同位置的动力翼4在同一时间可以提供不同的动力，可以使得飞行器装置进行偏转和转向，实现对飞行状态和飞行路径的调整。

如图2和图5所示，优选在容纳腔7内设置有转动轴6，动力翼4通过转动轴6连接在容纳腔7内，可以将转动轴6设置在容纳腔7靠近其开口的位置，并且连接在动力翼4靠近一边的边缘中部，从而，通过对动力翼4施加转动的作用力，能够使得动力翼4向内收放到容纳腔7内或向外展开到容纳腔7外。因此，本发明能够通过旋转运动实现动力翼4的展开和回收，该方式结构简单，容易实现，降低了飞行器装置的复杂程度，提高了结构的稳定性。需要说明的是，对于每个动力翼4的旋转方向可以进行优化设置，以能够在展开和收放的过程中不会因为动力翼4的转动而造成飞行器装置姿态的变化，影响其稳定状态，具体的，可以如图3所示，动力翼4的转动姿态使得飞行器装置整体始终处于对称状态。此时，飞行器装置的重心保持稳定，而不会造成偏斜。为了实现这一对称状态，可以使得相邻的两个动力翼4的转动方向相反，相对的两个动力翼4的转动方向相同；同时，还需要保持各动力翼4的转动速度一致。当然，还可以采用其他的对称形式，而对于多于四个动力翼4的情况，对称形式也可以相应设置。

如图2-5所示，动力翼4包括旋转支架和设置在旋转支架上的旋翼43，旋翼43可以为铰接式、无铰式、半铰式、无轴承式等等现有的结构，有两片或多片桨叶，根据已有成熟的无人机结构进行相应的设置。旋翼43的动力装置可以直接设置在旋转支架上，并且旋转支架与转动轴6转动连接。通过旋转支架的位置调整旋翼43的位置，也就是说，当旋转支架收放在容纳腔7内后，旋翼43也应当进入容纳腔7内，此时，利用容纳腔7对旋翼43实施保护；当旋转支架展开到容纳腔7外后，旋翼43也应当伸出到容纳腔7外，此时，利用旋翼43为飞行器装置提供动力。

旋转支架可以包括相互连接的支撑杆42和半圆形框架41，其中，半圆形框架41包括半圆形的圆弧段411和连接在圆弧段411两个端点的直线段412，具体制作时，圆弧段411和直线段412可以一体成型加工或分体加工。支撑杆42连接在半圆形框架41内部，支撑杆42的一端连接在半圆形框架41的直线段412上，支撑杆42的另一端连接在半圆形框架41的圆弧段411上。旋翼43设置在支撑杆42上，并且，旋翼43可以在支撑杆42上旋转运行。对于支撑杆42两端具体的连接位置，可以进行合理设定，但需要说明的是，将旋翼43设置在半圆形框架41的空间的正中心位置才能获得最大的旋翼43的直径尺寸，因此，支撑杆42可以根据这一原则进行设置，即支撑杆42要通过半圆形框架41的空间的中心位置，以能够将旋翼43设置在该中心位置。另外，当支撑杆42的两端分别连接直线段412的中心和圆弧段411的中心时，支撑杆42的长度最短，且安装最为方便，优选该种方案。转动轴6连接在直线段412中点，此时，容纳腔7可以采用与半圆形框架41相匹配的半圆形状，避免对容纳腔7挖空造成对于结构强度的影响。需要说明的是，直线段412的长度可以等于或小于容纳腔7的开口宽度，优选直线段412的长度等于容纳腔7的开口宽度，无论动力翼4旋转到展开状态还是回收状态，均能通过直线段412实现对容纳腔7开口的封闭，从而在入水的过程中以及在水中航行的过程中能够避免水流冲击进入容纳腔7，进一步的提高对于动力翼4的保护效果。

如图1-5所示，收纳部2可以为正四棱柱结构，正四棱柱结构包括四个侧面，容纳腔7设置在正四棱柱结构的侧面上，每个侧面设置一个容纳腔7，并且容纳腔7的开口宽度可以小于或等于正四棱柱结构的宽度。当容纳腔7的开口宽度小于正四棱柱结构的宽度时，其内部所容纳的动力翼4的宽度也小于正四棱柱结构的宽度，这样设计的优点在于，可以将四个容纳腔7设置在同一个平面内，即四个动力翼4位于同一个平面内，并且不同的容纳腔7之间有实体结构连接，能够保证整体结构的稳定性；缺点在于，动力翼4相对于飞行器主体的尺寸较小，相应的，采用的旋翼43的尺寸较小，则无法提供更有效的升力。当容纳腔7的开口宽度等于正四棱柱结构的宽度时，其内部所容纳的动力翼4的宽度也等于正四棱柱结构的宽度，此时，可以将动力翼4的尺寸制作的最大化，相应的旋翼43的尺寸也可以最大化，从而有效保证动力翼4能够提供更充足的升力；为了保证容纳腔7和容纳腔7之间连接可靠，可以将容纳腔7的形状匹配动力翼4的形状(例如采用与半圆形框架41相应的圆弧形状的容纳腔7)。通过采用正四棱柱结构的收纳部2，可以将动力翼4成辐射状分布在四个侧面上，从而能够形成现有技术中最成熟的四个旋翼43的结构，保证飞行的可靠性。

进一步的，无论是容纳腔7的开口宽度小于正四棱柱结构的宽度还是等于正四棱柱结构的宽度，均可以将动力翼4设置在不同的平面上，以能够节约同一平面的设计空间，增强容纳腔7之间的实体连接强度，同时，还能延长收纳部2的轴向长度，避免扁平化的结构，提高入水和出水过程中的稳定性。当动力翼4采用半圆形框架41的结构时，可以优选采用容纳腔7的开口宽度等于正四棱柱结构的宽度的结构，此时，半圆形框架41直线段412的长度等于容纳腔7的开口宽度，能够将半圆形框架41进行最大化设置，进而能够增大旋翼43的直径大小，从而能够提高旋翼43的升力，保证跨介质飞行器装置的顺利飞行。还可以将相对设置的半圆形框架41位于同一平面内，相邻设置的半圆形框架41位于不同平面内，从而能够合理的应用飞行器主体收纳部2的空间，避免半圆形框架41收放过程的干涉，保证稳定运行。

对于入水部3和出水部1的结构，主要考虑能够实现减小阻力的目的。可以将入水部3和出水部1均设置成尖端的结构，具体的可以为圆锥形或棱锥形。当收纳部2采用正四棱柱结构时，可以将入水部3和出水部1均采用正四棱锥结构的形式，正四棱锥结构的底面和正四棱柱结构的底面连接，边线重合，形成飞行器装置的整体外观结构。该结构的飞行器装置能够有效的降低空气或水的阻力，提高其在空中或水中运行的稳定性。

入水部3和出水部1内部可以设置有储水舱5，当入水部3和出水部1采用正四棱锥结构时，则在正四棱锥结构内部设置有储水舱5。储水舱5可以储存和排出水体，以能够调整入水部3和出水部1的密度，通过储水舱5的设置和储水排水的配合，能够实现对于飞行器装置整体姿态的调整，使其在入水和出水的过程中保持竖直状态，即能够保证入水部3和出水部1与水直接接触冲击(入水部3和出水部1已经经过结构和材料上的优化)，并能够实现在水中停留位置的调整。

本发明还提供一种跨介质飞行器装置的控制方法，该方法可以应用前文所记载的任何一种跨介质飞行器装置，具体的：

当出水时，飞行器装置可以由潜水艇释放，利用自身动力装置或火箭运载器(可以由核潜艇利用鱼雷发射器或导弹发射器在水中发射，也可以安装火箭助推器发射、水泵喷水发射或者化学反应产生大量的气体作为动力源)将飞行器装置由水中向空气中发射出去。需要说明的是，可以利用飞行器装置自身的重心设置(通过控制储水舱5的储水和排水改变自身的密度分布)，在其被释放后就保持竖直状态，也可以通过姿态调整(例如类似火箭的喷气结构或者螺旋桨等结构)保持竖直状态，并能够利用储水舱5的功能实现在水中停留深浅位置的调整。在发射时，保证出水部1朝上。上升至一定高度时，动力翼4展开到飞行器主体外部，具体展开的过程可以为转动展开、滑动展开或折叠展开等方式，展开后的动力翼4为飞行器装置的飞行提供升力。

当入水时，通过前述的展开过程的反向过程，将动力翼4收放回飞行器主体的收纳部2内，入水部3朝下将飞行器装置自由落体入水。入水部3首先与水面接触，通过对入水部3结构和材料的优化，能够有效的减少水流阻力对于飞行器装置的影响，同时，由于将动力翼4进行了收纳，避免了对于动力翼4的冲击，对动力翼4进行了有效保护。

当飞行器装置进入水中后，在水中航行时，动力翼4可以展开到飞行器主体外部，为飞行器装置提供航行动力。另外，通过调整不同动力翼4的功率大小或是否运行可以调整飞行器装置的姿态，使其朝向指定的方向移动。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。