新型仿生水-空跨介質航行器結構設計

李宏源 ,呂 凱 ,陳迎亮 ,朱 敏 ,呂鵬宇 ,段慧玲

(1.北京大學 工學院,北京,100871;2.中國船舶集團有限公司 第705 研究所昆明分部,云南 昆明,650101;3.北京大學 南昌創新研究院,江西 南昌,330096)

0 引言

水-空跨介質航行器是一種可以自由跨越水-空界面,靈活切換工作環境的新型海洋裝備,融合了水下滑移邊界減阻[1]、超空泡水翼、仿生變體等技術,具有自主性強、高效機動、可適應復雜水況等優點。在軍事領域,跨介質航行器的兩棲作業特性使其在眾多應用領域具有其他無人系統無法比擬的優勢?？缃橘|飛行器可以遠距離發射,自主飛行到目標區域實現潛水偵察、監視或突襲攻擊。完成既定任務后,其可以停泊待命或搭載獲取到的數據返航,既提高了任務效率,又增加了任務的成功率。因此,開發高性能水-空跨介質航行器具有重要的軍事價值。

目前,國內、外研究機構針對跨介質航行器的研究成果已有很多。國內方面,北京航空航天大學研制的水空兩棲飛行器“飛魚”,可用于協助潛艇完成偵察和攻擊任務[2];西北工業大學研究了兩棲跨介質飛行器的滑跳彈道特點,并建立了水空滑跳動力學模型[3-6];南昌航空大學研制了一種潛水飛機,可通過2 次變體完成飛行模式和潛水模式的轉換[7-8];北京航空航天大學提出一種潛水無人機的概念結構設計方案,所研制的潛水無人機采用中空機翼設計,可通過注、排水調節其平均密度,實現下潛和上浮[9];中科院自動化研究所從控制角度對無人水上飛機的自主起飛展開了研究,考慮到直接利用非線性模型設計控制器的困難,采用T-S 模糊辨識得到的線性差分整合移動平均自回歸(autoregressive integrated moving average,ARIMA)模型來表征無人水上飛機在不同運動階段的動態特性,為了實現對期望俯仰角的跟蹤,提出了基于線性模型的廣義預測控制[10];上海交通大學在2019～2022 年間先后研制了4 代多旋翼水空跨介質飛行器[11-14],該系列飛行器靠旋翼和螺旋槳提供動力,通過調整旋翼和螺旋槳的轉速實現空中和水下運動。

國外方面,密歇根大學研制了“Flying Fish”飛行器,并對其結構、航電和導航系統等方面進行了研究[15-17];美國哈佛大研制了RoboBee 微型機器人,并利用電解水的方式實現了水空跨域[18];麻省理工學院開發了一款仿飛魚機器人樣機,對其機構設計和控制方式進行了研究[19];英國布里斯托大學開發了一種以仿生撲翼為推動工具的潛水無人機,最終實現了水空跨域[20-21];帝國理工學院開發了一種仿魷魚水-空跨介質航行器模型,先后在航行器使用噴氣裝置、固體炸藥裝置完成了從水中到空中的跨躍[22-23]。

與國外相比,我國在水-空跨介質航行器的概念設計、樣機結構設計、結構輕量化設計及介質轉換方式等方面還有待進一步強化?；诖?文中開發了一種新型仿“飛魚”結構的水-空跨介質航行器,其仿生結構設計見圖1。通過加裝變體水翼和折疊空翼2 套機構,保證該航行器實現水下定深潛行,水面高速航行以及空中定高飛行。

圖1 水-空跨介質航行器仿生結構設計圖Fig.1 Bionics design diagrams of water-air cross-domain vehicles

1 主體結構布局

如圖2 所示,水-空跨介質航行器整體分為艇體(艏部模塊、主控模塊、動力能源模塊、航向操控模塊和噴水推進模塊)、水翼和空翼。艏部模塊前方裝有可折疊的推進螺旋槳;主控模塊由載體的艙體外殼、光纖慣導、主控制器深度計、入水傳感器、頻閃燈及水下天線構成;能源模塊為整個跨介質航行器供電,內置電池管理單元,可實時監測電池組狀態;航向操控模塊由干艙與濕艙兩部分組成,濕艙與噴水推進器相互連接,組成閉合實體;噴水推進模塊選用噴水推進器,其輸入電壓為48～56 V,當控制油門為80%時,其推力可達440～550 N;此外,在外部加裝了穩定翼結構。

圖2 水-空跨介質航行器整體布局Fig.2 Overall layout of a water-air cross-domain vehicle

1.1 變體水翼機構

1.1.1 水翼設計

為保證航行器在水面模態下高速航行,擬在跨介質航行器主體前后部兩側分別安裝2 組不同尺寸的對稱水翼,水翼安裝部位對齊且位于航行器艇體的中邊緣,如圖2 藍色箭頭所示。前后水翼包括平翼、斜翼和支架三部分。整體方案要求水翼在2°～5°攻角范圍內有較大的升力系數和升阻比,考慮選取AG24 翼型。對比發現,該翼型不僅具有較高升力系數和升阻比,而且其最大相對厚度最大,可以兼顧水動力性能和強度要求,如圖3 所示。

圖3 AG24 翼型曲線Fig.3 Airfoil curve of AG24

水翼弦長為

式中:W為總排水量;v為目標滑跑速度;Cl為翼型升力系數;l為單個斜翼在水下的長度;θ為平翼和斜翼的夾角。

根據計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)的計算結果,選取水翼弦長為40 mm。航行器工作時主要由斜翼提供升力,結合航行器預估的總排水量以及目標滑跑速度,由式(1)可以計算出水翼斜翼的展長尺寸。此外,為保證噴水推進時吸水口有足夠的水下深度,將前、后翼的斜翼設計為不同的長度,使得航行器在水面巡航時保持尾傾姿態。其中,前水翼平翼長度205 mm,斜翼長度177 mm;后水翼平翼長度115 mm,斜翼長度100 m。

1.1.2 水翼變體機構設計

水翼的收縮運動由2 個對稱的曲柄滑塊機構控制,如圖4(a)所示,可以實現水翼在90°內的收縮,其收縮過程如圖4(b)、(c)所示。推桿由伺服電機驅動蝸輪蝸桿減速器實現往復運動,同時蝸輪蝸桿機構還具備自鎖功能,實現水翼在收縮過程中達到指定工作位置后的固定。水翼斜翼的收縮是由曲柄滑塊機構控制,如圖4(d)所示,當滑塊向本體側移動時,斜翼閉合;當滑塊向遠離本體側移動時,斜翼張開。

圖4 水翼變體機構設計原理圖Fig.4 Schematic diagram of hydrofoil variant mechanism

1.2 折疊空翼機構

1.2.1 空翼設計

為保證航行器具有定高飛行的能力,研制并安裝了2 對空翼。圖5 是空翼和螺旋槳處于展開狀態的模型圖,此時為了減阻,將水翼收縮。

圖5 空翼及螺旋槳展開狀態示意圖Fig.5 Expansion state of air wings and propellers

文中擬采用大展弦比的翼布局形式,初步選擇245 N/m2的翼載荷。根據翼載荷及航行器的最大起飛重量,計算需用機翼面積

式中:G為航向器的總質量;μ為翼載荷。

航行器前飛速度為25 m/s,馬赫數為0.07,屬于典型的低速飛機,因而空翼翼型應選用低速翼型,文中項目選擇NACA2412 翼型。

根據空翼展弦比和空翼面積,可計算得到每一排空翼的展長和翼型弦長參數。結合翼折疊機構的布局細節,最終確定翼型弦長0.25 m,前排翼的展長2.2 m,后面翼的展長1.9 m。為滿足巡航階段的升力需求,結合翼型的升力系數與其攻角的關系,對空翼選擇適當的安裝角為7°,此時翼型的升力系數為0.85。左右空翼后緣中部設置副翼,用于滾轉姿態控制及起飛爬升增升。

1.2.2 空翼折疊機構設計

水-空跨介質航行器需要同時具備空中和水下的航行特性,以實現高速航行。在空中飛行時,機翼處于展開狀態,為航行器提供飛行升力。水下航行時,機翼折疊于機身本體上部,可減小水下航行阻力,提升水下航行速度,增加航行器的水下續航能力?？找碚郫B機構設計方案如圖6 所示。

圖6 空翼折疊機構設計方案Fig.6 Schematic diagram of air wings folding mechanism

空翼折疊機構采用共軸反向雙齒輪盤設計方案,類似于共軸式雙槳直升機的螺旋槳設計結構。前后2 對機翼的折疊機構分別由獨立的電機進行驅動,驅動電機驅動錐齒輪轉動,并帶動2 個機翼旋轉軸的齒輪盤進行反向轉動,進而實現機翼的展開和折疊。齒輪盤上帶有限位結構,在機翼達到設定的展開或折疊角度后,齒輪被限位,完成機翼的展開或折疊運動。

2 仿真與分析

利用商業軟件Star CCM+得到水-空航行器的水動力性能和氣動性能,驗證了方案的可行性。水下/水面模態進行單相計算,水面模態進行多相計算。計算中湍流模型采用realizablek-ε模型,壁面采用混合壁面函數,壁面y+小于10。

采用不可壓縮流體的雷諾平均計算方法,水面模態多相流計算中的控制方程為

2.1 水下模態

航行器在水下時的狀態如圖7 所示,此時水翼、空翼和螺旋槳均處于收縮狀態。

圖7 空翼及螺旋槳折疊狀態概念模型Fig.7 Conceptual model of air wings and propellers in folding state

圖8 為航行器以5 kn 速度在水下航行時的阻力曲線?？梢钥闯?速度為5 kn 時,水下航行器的總阻力約為30 N,其中壓差阻力占比較大,摩擦阻力占比較小,分別約為13 N 和17 N。水下航行阻力小于推力,滿足推進要求。

圖8 航行器以5 kn 速度水下航行時的阻力曲線Fig.8 Drag force curves of the vehicle when running underwater at the speed of 5 kn

圖9 為航行器水下航行時的表面總壓力云圖。在航行過程中,航行器艏部會形成流場駐點,此處流場中流體局部速度為零,因此會形成局部高壓區。航行器中間部分無明顯壓差,證明其流線型較好、阻力較小。圖10 流線圖顯示,航行器艇身的流線型較好,其產生的阻力以摩擦阻力為主。

圖9 水下航行時航行器表面總壓Fig.9 The total pressure on the surface of the vehicle when running underwater

圖10 航行器艇體附近流線Fig.10 Streamlines near the vehicle

2.2 水面模態

航行器在水面巡航的狀態如圖11 所示,此時水翼呈展開狀態,空翼呈折疊狀態。圖11(a)分別為航行器在10,15,20 和40 kn 時的阻力曲線,可以看出,阻力隨航行器速度增大而增大,40 kn 時最大阻力約為360 N,該阻力小于噴水推進的推力,滿足設計需求。圖11(b)分別繪制了航行器總機的升阻比曲線,可以看出,航行器穩定航行后,整個航行器的升阻比會隨航速增大而減小。

2.3 空中模態

航行器在空中模態下的計算結果如圖12 所示,總升力258 N,滿足巡航速度25 m/s、總質量25 kg的要求;總阻力32 N,小于螺旋槳巡航時50 N 牽引力的設計。

圖12 水-空跨介質航行器空中飛行時升阻力變化曲線Fig.12 Lift force and drag force curves of the water-air cross-domain vehicle during air flight

圖13 可對航行器氣動部件之間的耦合效應進行定性分析。一方面,從圖中可以觀察到翼根部折疊機構對流場的影響,另一方面,在航行器的串列翼布局中,前翼略高于后翼,這樣能夠減緩前翼流場對后翼的影響。圖14 繪制了翼梢周圍的流線,圖中(a)處顯示流線均勻地流過翼面,說明空翼能夠保持良好的氣動特性;圖中(b)處可明顯觀察到前緣駐點上方氣體從上表面流過,下方氣體從下表面流過。由于翼型上下表面長度不同,因而導致流體在上下表面的流速不同,從而產生升力。

圖13 航行器空中飛行時附近流線Fig.13 Streamlines of vehicle during air flight

圖14 翼梢周圍流線Fig.14 Streamlines near the wingtips

3 結束語

文中設計了一種新型仿生水-空跨介質航行器結構,解決了水-空跨介質航行器在布局設計、輕量化設計、介質轉換方式等方面存在的問題,對未來跨介質航行器的研究具有一定的指導意義。由于該跨介質航行器的魯棒性中還未得到檢驗,未來還需從工程樣機角度對該方案展開論證。