基于折疊機(jī)翼布局的跨介質(zhì)無(wú)人航行器概念設(shè)計(jì)

王曉璐，祝順順，周沖，鄒秉辰

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院

為兼顧無(wú)人裝備在空中、水面、水下跨介質(zhì)中的運(yùn)用，本文提出基于折疊機(jī)翼布局的跨介質(zhì)無(wú)人航行器概念設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)方案結(jié)合了現(xiàn)有無(wú)人機(jī)和潛艇的外形特征，采用折疊機(jī)翼適應(yīng)不同運(yùn)行模式的需求，便于在不同介質(zhì)間進(jìn)行布局轉(zhuǎn)換，綜合了水下航行器隱蔽性、水面航行器機(jī)動(dòng)性以及空中飛行器飛行速度快的優(yōu)勢(shì)。

當(dāng)前，海洋已經(jīng)成為戰(zhàn)斗較量的場(chǎng)所，世界眾多國(guó)家紛紛提升海洋在國(guó)家發(fā)展和國(guó)家安全戰(zhàn)略中的地位，無(wú)人裝備在我國(guó)海洋安全防御任務(wù)中將發(fā)揮重要作用。

無(wú)人系統(tǒng)由人員操控或者按預(yù)編程序自主運(yùn)行，攜帶任務(wù)載荷遂行任務(wù)，主要包括無(wú)人機(jī)（UAS）、無(wú)人地面車（UGV）、無(wú)人水下潛航器（UUV）、無(wú)人水面船艇（USV）等裝備。近年來(lái)，境外某些國(guó)家利用自身的科技優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)沿海地區(qū)布設(shè)無(wú)人潛航器，對(duì)我國(guó)進(jìn)行監(jiān)視偵察并收集情報(bào)，特別是搜集目標(biāo)海域的水溫、鹽度、海流及水下聲場(chǎng)等與軍事活動(dòng)密切相關(guān)的海洋信息。無(wú)人航行器研制對(duì)我國(guó)海空安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2008年，美國(guó)國(guó)防預(yù)研局設(shè)計(jì)了一種用于特種運(yùn)輸?shù)暮叫衅鳎捎谠撗b備空氣動(dòng)力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)技術(shù)有顯著差異，這種兩棲裝備仍存在異議。2010—2014年，英國(guó)布里斯托大學(xué)研究了一種用于航行器的多模式仿生撲翼，該撲翼驅(qū)動(dòng)模式在水空兩棲航行器水下推進(jìn)方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

為解決跨介質(zhì)航行器在不同介質(zhì)下的外形兼容性問(wèn)題，本文提出一種基于折疊機(jī)翼的新型布局設(shè)計(jì)方案。該方案采用變體技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)水下和空中的布局轉(zhuǎn)換，以機(jī)翼折疊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)翼折疊與展開。

無(wú)人航行器方案簡(jiǎn)介

跨介質(zhì)無(wú)人航行器概念圖及運(yùn)行剖面示意圖詳見(jiàn)圖1。其長(zhǎng)度2m，翼展3.6m，高度0.6m，最大航程300km，突出特點(diǎn)是使用了折疊機(jī)翼，結(jié)合了無(wú)人機(jī)和無(wú)人潛航器的優(yōu)點(diǎn)。考慮空氣動(dòng)力和水動(dòng)力對(duì)無(wú)人航線器外形的影響，本文研究一種能同時(shí)在空氣介質(zhì)、水介質(zhì)中運(yùn)行的機(jī)身。針對(duì)不同介質(zhì)，本文通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)分析，對(duì)機(jī)身外形進(jìn)行修正，找出氣動(dòng)和水動(dòng)的平衡點(diǎn)，提高飛行模式下的升阻比，同時(shí)減小水下阻力對(duì)運(yùn)行的影響。

圖1 跨介質(zhì)無(wú)人航行器概念圖及運(yùn)行剖面示意圖。

無(wú)人航行器設(shè)計(jì)

折疊機(jī)翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照機(jī)翼的折疊方向，基于折疊機(jī)翼布局的無(wú)人機(jī)可分為水平折疊型和縱向折疊型兩種。但現(xiàn)有無(wú)人機(jī)多在空中飛行，同時(shí)考慮水動(dòng)力和空氣動(dòng)力影響因素的方案較少。本文提出一種新型折疊機(jī)翼機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，圖2展示了機(jī)翼的展開過(guò)程。該無(wú)人航行器可在不同運(yùn)行模式下實(shí)現(xiàn)機(jī)翼狀態(tài)切換，減小水下航行的展向尺寸，便于水下高速航行。

圖2 機(jī)翼展開過(guò)程。

本文利用ANSYS FLUENT軟件完成氣動(dòng)性能的CFD分析計(jì)算。網(wǎng)格由ANSYS Workbench Mesh生成，同時(shí)使用二階迎風(fēng)差分格式離散控制方程計(jì)算無(wú)人航行器繞流流場(chǎng)。針對(duì)低速不可壓來(lái)流，本文使用壓力和速度耦合的SIMPLE算法，采用Spalart-Allmaras湍流模型。全機(jī)計(jì)算網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)整機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)和水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行數(shù)值仿真分析。以水為介質(zhì)且航行速度為2m/s時(shí)，第一層網(wǎng)格厚度是0.3mm，網(wǎng)格總數(shù)1570萬(wàn)；以空氣為介質(zhì)且航行速度為25m/s時(shí)，第一層網(wǎng)格厚度0.08mm，網(wǎng)格總數(shù)1382萬(wàn)。圖3是氣動(dòng)與水動(dòng)修形后的無(wú)人航行器在不同介質(zhì)下的壓力云圖及速度流線圖。

圖3 水介質(zhì)和空氣介質(zhì)下的壓力云圖及速度流線圖。

自適應(yīng)迎角設(shè)計(jì)

無(wú)人航行器可使用空速測(cè)量單元、俯仰測(cè)量單元、加速度測(cè)量單元進(jìn)行姿態(tài)測(cè)算，通過(guò)控制傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和動(dòng)力源輸出，對(duì)不同空速下、不同飛行階段的自適應(yīng)迎角進(jìn)行調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)配合飛行軌跡角、姿態(tài)角和機(jī)翼的迎角；通過(guò)自動(dòng)調(diào)控舵機(jī)傾轉(zhuǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同飛行狀態(tài)下的不同迎角飛行。無(wú)人航行器具有自適應(yīng)迎角調(diào)控功能，在起飛爬升階段，機(jī)翼迎角增大，提高機(jī)翼升力，減小水面滑行距離，實(shí)現(xiàn)短距起飛。

后續(xù)改進(jìn)方向

跨介質(zhì)無(wú)人航行器總體設(shè)計(jì)方案后續(xù)將圍繞兩方面進(jìn)行改進(jìn)。

航行器離水時(shí)氣/水耦合問(wèn)題的解決方案

水的密度約為空氣的770倍，動(dòng)力學(xué)粘性系數(shù)約為空氣的560倍。當(dāng)航行器在氣/水兩相界面運(yùn)動(dòng)時(shí)，存在氣/水耦合作用、介質(zhì)變化造成的載荷突變和水面粘性等問(wèn)題，可借鑒艦船船身和飛機(jī)機(jī)身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，提出適用于航行器的解決方案。

動(dòng)力與控制技術(shù)優(yōu)化

無(wú)人航行器的特殊工作狀態(tài)應(yīng)采用特種能源。在運(yùn)行剖面中，流體的密度和流動(dòng)狀態(tài)均會(huì)變化。無(wú)人航行器計(jì)劃采用人工智能技術(shù)，搭載多種傳感器，定點(diǎn)滑行起飛后，按預(yù)設(shè)航線自主運(yùn)行，抵近目標(biāo)執(zhí)行任務(wù)。