關于水路兩棲無人機的創新

朱彬+虞錦濤+陳健

摘 要：水空兩棲無人機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進行了創新，采用船身結構并添加機翼，通過添加液壓平衡控制器控制左右旋翼，實現了在空中和水中兩種不同狀態下的運行的可行性。

關鍵詞：水空無人機；創新；液壓平衡控制器

1 緒 論

1.1水空兩棲無人機課題的來源

隨著人類對無人機技術的不斷開發，人類對無人機已經不僅僅滿足于其在空中遨游、地上奔跑，將無人機的“涉獵”范圍擴張到水里。水下無人機并不是這幾年才有的創意，早在2007年Warrior公司稱，正與英國自主系統技術有關空中評價與評估（ASTRAEA）團隊就“海鷗（Gull）”36兩棲無人機進行談判。2015年12月的時候，迪茲向美國海軍研究機構官員演示了“Naviator”無人機設計，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。”盡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同時精通飛行和潛水兩種任務，簡直無視大自然的規律。迪茲說，“水禽的飛行能力仍然強于游泳能力，而飛魚的游泳能力仍然強于飛行能力。我們的設備則同時擅長這兩種技能。從某種意義上講，我們是在挑戰自然規律，而不是遵從原有的自然法則。”這種無人機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運行系統上進行創新研究，提出一種能控制在水下和空中運行的系統方案。

1.2水路兩棲無人機課題的意義

水路兩棲無人機與載人飛機相比，它具有體積小、造價低、使用圓便、對作戰環境要求低、戰場生存能力較強等優點，備受世界各國軍隊的青睞。在幾場局部戰爭中，無人駕駛飛機以其正確、下效和靈便的窺測 、干擾、欺騙、搜索、校射及在非正規條件下作戰等多種作戰能力，發揮著明顯的作用，對未來的軍事斗爭造成較為深遠的影響。而且水路兩棲無人機，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 一些專家預言：“未來的空戰，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。”可見專家對無人機的重視。

2 直升機原理

2.1 直升機基本原理說明

直升機飛行時，旋翼不斷旋轉，空氣流過槳葉上表面，流管變細，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，槳葉上產生一個向上的拉力。旋翼水平旋轉時，自然產生向上的升力，這是直升機得以垂直起落和懸停的基本條件。旋翼向前傾斜，自然就在產生升力的同時，產生前行的推力。

2.2 橫列雙旋翼直升機原理及優點

直升飛機除單旋翼、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，旋轉方向相反，從而抵消相互的反扭力。橫列雙旋翼直升機主要優點是結構緊湊，外形尺寸小。這種直升機因無尾槳，所以也就不要裝長長的尾梁，機身長度也可以大大縮短。有兩副旋翼產生升力，每副旋翼的直徑也可以縮短。機體部分可以緊湊地安排在直升機的重心處，所以飛行穩定性好，也便于操縱。與單旋翼帶尾槳直升機相比，其操縱效率明顯有所提高。此外，其懸停效率也比較高。

3 兩棲無人機原理

3.1 兩棲無人機——空中飛行

空中飛行時，只允許左、右旋翼工作，且左、右旋翼轉速相同。飛機懸停方向的控制是角動量守恒定律的應用。直升機在發動前，系統的總角動量為零。在發動后，旋翼在水平面內高速轉動，系統會出現一個豎直向上的角動量。由旋翼產生的升力豎直向上，方向通過大致與機身垂直的直立軸，飛機受重力也通過該軸，升力和重力對該軸均不產生力矩，故系統的角動量守恒。在直立軸上安裝一對相反方向旋轉的旋翼，通過對兩旋翼旋轉角速度的控制，實現無人機懸停方向的改變。通過液壓平衡控制器控制旋翼的傾斜角度實現空中的飛行、轉向、懸停。

3.2 水中運行

下潛后，小旋翼作為無人機的動力，實現前進；舵板通過尾部的伺服電機控制其左/右翻動一定角度，從而實現向左/右轉彎；左、右旋翼低速轉動，從而實現機身的向上或者向下運動。

4 兩棲無人機動力系統的的設計

動力裝置發展至今，從開始的活塞發動機，到后來的燃氣渦輪發動機、火箭發動機、電動機、核能發動機、太陽能發動機等，這些動力裝置有的用于飛機、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，火箭發動機具有高推力、高排氣速度、高推重比等特點，正因為這些特點，不適于用到低速的兩棲無人機上，核能發動機也是如此，而太陽能發動機應用還不是很廣泛，在水下的性能也無法保證，因此只有電動機才是本課題的首選。電動機被廣泛地用于各種無人機上，其運行不需要空氣，而且其中的無刷電機還具有一定的防水性，可以用在兩棲無人機上。但是電動機需要電池帶動，電池的能量密度遠低于燃油，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，要實現兩棲無人機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，依賴空氣的發動機主要在水上和空中使用，可以選用的有活塞發動機和燃氣渦輪發動機，由于是中小型的無人機，所以選用活塞發動機；而另一個不依賴空氣的動力裝置，可選用電池、燃料電池或水反應金屬發動機，為滿足飛機在水中航行需要，該動力系統需要解決動力傳動系統的重量問題及防止燃油發動機驟冷驟熱的問題。本課題借鑒汽車油電混合動力技術，采用活塞發動機與用動力鋰電池電動機兩套系統，分別獨立地為兩棲無人機提供動力。

5 結 論

兩棲無人機是一種平時主要用于空中飛行，在海面等水域上空執行任務時可隱蔽到水面下，在水中進行短暫的航行，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。

經過本文的研究，提出了一種可行的水空兩用無人機動力系統的方案，但通過詳細分析和實驗驗證，該方案只適用于低速短距的兩棲無人機，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功能的飛行器將來必將用于海陸空多維作戰中，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展。

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