潛空跨介質(zhì)無(wú)人航行器發(fā)展現(xiàn)狀與展望

孫祥仁，曹 建，姜言清，李岳明，李 曄

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

潛空跨介質(zhì)無(wú)人航行器是一種能同時(shí)擁有水中、空中運(yùn)動(dòng)能力，且能通過(guò)自身能量多次跨越水、空2種介質(zhì)，通過(guò)搭載相應(yīng)的傳感器能完成水中、空中作業(yè)任務(wù)的無(wú)人航行器。實(shí)際上，潛射無(wú)人機(jī)的發(fā)射同樣也經(jīng)歷了由水下至空中的跨介質(zhì)過(guò)程。但一般潛射無(wú)人機(jī)在水下不具備作業(yè)能力，也不能完成多次出入水作業(yè)，因此潛射無(wú)人機(jī)不屬于本文討論重點(diǎn)。

潛空跨介質(zhì)航行器綜合了水下航行器的隱蔽性以及空中飛行器的快速性?xún)?yōu)勢(shì)，并可在同一航行器上完成水下和空中的作業(yè)任務(wù)，這使得各國(guó)都對(duì)該類(lèi)航行器產(chǎn)生了較大興趣。二戰(zhàn)之前，就曾有蘇聯(lián)人提出過(guò)飛行潛艇的概念。20世紀(jì)70年代，美國(guó)也曾對(duì)大型潛水飛機(jī)方案進(jìn)行過(guò)概念設(shè)計(jì)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，不斷有研究機(jī)構(gòu)對(duì)潛空跨介質(zhì)航行器進(jìn)行論證、設(shè)計(jì)，部分機(jī)構(gòu)做了原理樣機(jī)并進(jìn)行了初步試驗(yàn)。潛空航行器的跨介質(zhì)特點(diǎn)也是其研究的最大難點(diǎn)，由于水和空氣2種介質(zhì)差別巨大，在設(shè)計(jì)時(shí)往往難以兼顧航行器在 2種介質(zhì)中的航行性能[1]。水下航行器一般使用電池作為能源，并采用細(xì)長(zhǎng)的流線(xiàn)型外殼以降低航行阻力，所受浮力一般接近于重力；而長(zhǎng)航時(shí)空中飛行器一般使用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力來(lái)源，依靠機(jī)翼或旋翼提供升力，機(jī)體則是越輕越好。此外，由于出水過(guò)程極為耗能，要想達(dá)到長(zhǎng)航時(shí)要求，跨介質(zhì)航行器一般需攜帶較多電池，這又增加了整體重量。目前為止，潛空跨介質(zhì)無(wú)人航行器的研究多數(shù)停留在理論層面上，設(shè)計(jì)制造出原理樣機(jī)的不多，原理樣機(jī)能夠完成水下航行、出水、空中航行、入水這一循環(huán)的少之又少。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

本文在此介紹一些國(guó)內(nèi)外較為典型的潛空跨介質(zhì)無(wú)人航行器的相關(guān)研究，主要偏向于21世紀(jì)以后各研究機(jī)構(gòu)的相關(guān)成果。

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2010年，英國(guó)布里斯托大學(xué)的研究人員研制出可應(yīng)用于潛空跨介質(zhì)航行器的仿生翼結(jié)構(gòu)[2]。在實(shí)驗(yàn)中，測(cè)定了仿生翼在不同運(yùn)動(dòng)模式下的功耗，并得出撲翼的運(yùn)動(dòng)模式可以為航行器提供足夠的水下前進(jìn)動(dòng)力。這種結(jié)構(gòu)對(duì)于潛空跨介質(zhì)航行器有潛在的應(yīng)用價(jià)值，為其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)提供了更多研究資料和經(jīng)驗(yàn)借鑒[1]。

2011年，麻省理工學(xué)院（MIT）機(jī)械工程系研制了一型兩棲仿飛魚(yú)的原理樣機(jī)（如圖1所示），并在飛魚(yú)游動(dòng)理論、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、驅(qū)動(dòng)控制方式等方面進(jìn)行深入研究，對(duì)今后仿生樣機(jī)的研究有一定指導(dǎo)意義[3]。

圖1 “飛魚(yú)”仿生潛空航行器[3]Fig. 1 “Flying Fish” bionic underwater-aerial vehicle

2016年，英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院設(shè)計(jì)了一款螺旋槳推進(jìn)的潛空航行器AquaMAV，如圖2所示。該航行器仿照飛烏賊噴射的方式，將飛行器攜帶的少量水噴出實(shí)現(xiàn)起飛。其入水方式為濺落入水，即空中完成機(jī)翼折疊，螺旋槳停轉(zhuǎn)后自動(dòng)折疊且最先入水，從而完成航行器入水過(guò)程，水中、空中航行采用的是同一可折疊螺旋槳完成推進(jìn)[4-5]。該樣機(jī)重量?jī)H有201 g，飛行時(shí)間約14 min，期望被用于特定水域的數(shù)據(jù)收集或環(huán)境監(jiān)測(cè)，如監(jiān)測(cè)海洋石油泄漏等[6]。目前尚未找到該樣機(jī)完成水下航行—出水—空中航行—入水這一全過(guò)程的資料，且由于無(wú)法補(bǔ)充噴水所需的高壓氣體，尚無(wú)法完成多次出水過(guò)程。但該樣機(jī)以其輕小的機(jī)體，特別的出水方式為潛空跨介質(zhì)航行器的設(shè)計(jì)提供了新思路。

圖2 AquaMAV實(shí)物圖[6]Fig. 2 Physical image of AquaMAV

2019年 9月發(fā)表的論文顯示，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了新一代跨介質(zhì)航行器[7]，如圖3所示。與上一代樣機(jī)相似的是新樣機(jī)同樣采用噴水的方式出水，不同之處在于新樣機(jī)利用化學(xué)反應(yīng)爆炸而不是高壓氣體來(lái)完成噴水動(dòng)作，且團(tuán)隊(duì)為新樣機(jī)設(shè)計(jì)了三角翼以在出水后提高飛行穩(wěn)定性。其爆炸的產(chǎn)生方式是：通過(guò)微型泵將環(huán)境中的水泵裝入有碳化鈣的容器中，水與碳化鈣結(jié)合產(chǎn)生乙炔氣體并進(jìn)入到另一個(gè)有少量水和空氣的容器中，通過(guò)產(chǎn)生電弧引燃乙炔產(chǎn)生爆炸將容器中的水噴出。每次僅消耗0.2 g碳化鈣即可將160 g的航行器噴射出水面并滑翔約 26 m。通過(guò)攜帶少量碳化鈣粉末，入水后用一根較細(xì)的金屬管向容器內(nèi)補(bǔ)充水，即可滿(mǎn)足多次出水的需要。該論文重點(diǎn)對(duì)出水過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證，并未涉及水、空航行過(guò)程的試驗(yàn)。

圖3 倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的新型航行器[7]Fig. 3 ICL’s new vehicle

2017年 7月，美國(guó)羅格斯大學(xué)與海軍研究辦公室聯(lián)合研制的“航海家”（Naviator）潛空航行器成功用于特拉華紀(jì)念大橋的空中和水下橋體檢測(cè)，如圖4所示。該航行器自2013年開(kāi)始研究，是一型經(jīng)特殊改進(jìn)的四旋翼無(wú)人機(jī)。主要改進(jìn)包括：1）對(duì)航行器的關(guān)鍵部位進(jìn)行了防水處理，使其能在一定水深正常工作；2）優(yōu)化螺旋槳轉(zhuǎn)速，航行器一旦進(jìn)入水中，自動(dòng)切換為較低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)機(jī)身旋轉(zhuǎn)90°，此時(shí)螺旋槳的升力轉(zhuǎn)為水平推力，推動(dòng)航行器前進(jìn)；3）改進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸能力，空中采用無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸，在水中將采用水聲信號(hào)傳輸?shù)取！昂胶＜摇笨梢詳y帶多類(lèi)傳感器執(zhí)行空中/水下探測(cè)偵察任務(wù)。此類(lèi)航行器起降靈活，不足之處在于水中、空中航程提高空間小。

圖4 “航海家”潛空航行器Fig. 4 “Naviator” underwater-aerial vehicle

2018年 2月，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)和特力丹科學(xué)與成像公司（Teledyne Scientific and Imaging）聯(lián)合開(kāi)發(fā)了“鷹鰩”（EagleRay）固定翼跨介質(zhì)航行器，可從水面起飛或潛入水下航行?！苞楒帯遍L(zhǎng)約1.4 m，翼展約1.5 m，重量約5.7 kg，機(jī)身主體由碳纖維和鋁合金制成，由同一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的螺旋槳完成空中和水中推進(jìn)，同時(shí)具備手控和自控2種模式[8]，如圖 5-6所示。其起飛流程是：1）在螺旋槳推進(jìn)下航行至起飛點(diǎn)；2）向機(jī)腔后部注水，使航行器轉(zhuǎn)為直立狀態(tài)，由螺旋槳將航行器從水面拉起；3）飛行至一定高度，腔體排水，轉(zhuǎn)為平飛；4）完成空中任務(wù)后，平飛降落水面。潛水流程是：1）腔體注水，航行器潛入水下航行；2）完成水下任務(wù)后，腔體排水，浮出水面。該航行器目前已經(jīng)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，是目前潛空跨介質(zhì)航行器中為數(shù)不多地完成了各個(gè)航行過(guò)程試驗(yàn)的樣機(jī)[9]。

圖5 “鷹鰩”在水面和水下航行[8]Fig. 5 “EagleRay” sailing above and below water

圖6 “鷹鰩”出水瞬間Fig. 6 The moment of “EagleRay” flying out of water

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前國(guó)內(nèi)關(guān)于潛空跨介質(zhì)航行器的研究主要有航行器模型的仿真驗(yàn)證、原理樣機(jī)的研制、對(duì)水空過(guò)渡等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證等。

2009年，北京航空航天大學(xué)研制出潛空航行器“飛魚(yú)”[10]，如圖7所示?！帮w魚(yú)”通過(guò)浮力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)出入水面，在水面滑跑完成起飛，降落也同樣要在水面減速，具有水下運(yùn)動(dòng)能力。該樣機(jī)采用可變后掠角機(jī)翼，以減小水下航行時(shí)的阻力，同時(shí)也方便在上浮時(shí)快速排干機(jī)翼內(nèi)的水[1]。

圖7 “飛魚(yú)”潛空航行器[10]Fig. 7 “Flying Fish” underwater-aerial vehicle

2015年，北京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)了一款仿鰹鳥(niǎo)潛空跨介質(zhì)航行器[11]，如圖8所示。從模型圖上來(lái)看，該樣機(jī)空中推進(jìn)器布置于機(jī)身最前端，尾部配有水下推進(jìn)器，并包含了姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以在出水時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)身俯仰角，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡可能地輕量化處理。機(jī)翼后掠角可根據(jù)不同工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，為了出水時(shí)快速排水，機(jī)翼為中空結(jié)構(gòu)[12]。該團(tuán)隊(duì)在原理樣機(jī)關(guān)鍵部件強(qiáng)度設(shè)計(jì)、分析、入水抨擊試驗(yàn)等方面進(jìn)行了深入研究，為后續(xù)潛空航行器發(fā)展提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)[1]。

圖8 仿鰹鳥(niǎo)潛空航行器[11]Fig. 8 Gannet-like underwater-aerial vehicle

2011年，南昌航空大學(xué)研制了2型潛空航行器樣機(jī)。研究人員對(duì)幾種氣動(dòng)外形進(jìn)行了設(shè)計(jì)并做了相應(yīng)的仿真計(jì)算，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。此外，其中一型航行器采用油電混合的推進(jìn)方式，但試驗(yàn)樣機(jī)未能進(jìn)行起飛試驗(yàn)。盡管如此，通過(guò) 2型樣機(jī)的研制依然積累了關(guān)于機(jī)翼變換、油電混合動(dòng)力在潛空航行器上應(yīng)用的重要經(jīng)驗(yàn)[13-14]。

2 潛空跨介質(zhì)航行器的未來(lái)應(yīng)用

2.1 民用方面

潛空跨介質(zhì)航行器可應(yīng)用于水體環(huán)境監(jiān)測(cè)和災(zāi)害響應(yīng)中，在海洋學(xué)、水庫(kù)管理、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域也有多種重要的應(yīng)用。當(dāng)前水質(zhì)監(jiān)測(cè)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而潛空航行器可多次出入水且具備空中、水中航行能力，比單一領(lǐng)域的水中、空中系統(tǒng)響應(yīng)更快。因此，可在一個(gè)水域收集樣本、記錄數(shù)據(jù)或視頻后出水，并由空中迅速轉(zhuǎn)移到下一目標(biāo)水域繼續(xù)采集信息，從而可以在較短時(shí)間內(nèi)將不同位置的水質(zhì)信息提供給基站。這種高效率的工作模式在一些水體污染等災(zāi)害響應(yīng)中尤為關(guān)鍵。

圖9 AquaMAV用于密閉水域數(shù)據(jù)收集的設(shè)想[4]Fig.9 Assumption of AquaMAV used for data collection in confined spaces

2.2 軍用方面

2.2.1 情報(bào)收集

潛空跨介質(zhì)無(wú)人航行器的應(yīng)用對(duì)于海上情報(bào)收集、掌握戰(zhàn)場(chǎng)海洋環(huán)境有著巨大的幫助[15]，這往往是取得海戰(zhàn)主動(dòng)權(quán)不可或缺的條件。常規(guī)的水文調(diào)查手段（如水面船、浮標(biāo)、潛標(biāo)等）由于目標(biāo)明顯，往往不適合在敏感水域使用；單純的水下無(wú)人航行器（包括水下滑翔機(jī)和自主水下機(jī)器人）盡管隱蔽性好，但由于速度慢，從安全位置進(jìn)入目標(biāo)海域范圍航渡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不利于執(zhí)行戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急水文調(diào)查任務(wù)。潛空跨介質(zhì)航行器兼具水文調(diào)查隱蔽性和跨區(qū)域航渡高速性，可很好地解決戰(zhàn)時(shí)應(yīng)急水文調(diào)查這類(lèi)難題。使用時(shí)，航行器可由水面船、飛機(jī)、潛艇等平臺(tái)布放，從空中快速抵達(dá)目標(biāo)海域，完成入水并開(kāi)始執(zhí)行水中隱蔽水文調(diào)查任務(wù)。同樣，該類(lèi)航行器也可以作為水中隱蔽的值守平臺(tái)，對(duì)目標(biāo)海域執(zhí)行長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)，當(dāng)附近有水面目標(biāo)接近時(shí)可隨時(shí)出水完成空中監(jiān)視、情報(bào)收集等任務(wù)[16]。

2.2.2 集群作戰(zhàn)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，潛空跨介質(zhì)無(wú)人航行器可向低成本、集群作戰(zhàn)方向發(fā)展。例如：1）可由水面艦船等同時(shí)布放數(shù)十架潛空航行器，而后經(jīng)水下航渡到達(dá)預(yù)定目的地并在水下潛伏。在目標(biāo)艦艇到達(dá)潛伏區(qū)域后，潛空航行器編隊(duì)可按批次襲擾目標(biāo)艦艇。第 1批次吸引目標(biāo)艦艇防空火力，后續(xù)批次對(duì)艦艇重要目標(biāo)實(shí)施攻擊。2）以蜂群戰(zhàn)術(shù)同時(shí)攻擊目標(biāo)艦艇，目標(biāo)艦艇難以同時(shí)應(yīng)對(duì)大量的近距離襲擾，從而可以癱瘓其雷達(dá)、通信設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施，大幅度降低主力作戰(zhàn)部隊(duì)對(duì)目標(biāo)艦艇的攻擊難度。

2.2.3 通信中繼

潛空跨介質(zhì)無(wú)人航行器還可以作為岸上基地、水面艦艇與水下潛艇部隊(duì)的通信中繼。潛艇出航后與外界通信難度大，且容易暴露，而潛空跨介質(zhì)航行器可作為潛艇與外界溝通的“信使”，對(duì)潛空航行器通信系統(tǒng)進(jìn)行必要的加密，并加裝自毀裝置等保險(xiǎn)措施，在航行器由水下接近己方潛艇時(shí)建立通信，遠(yuǎn)離潛艇后出水并回傳信息。這樣可以大幅度降低潛艇遠(yuǎn)航時(shí)的通信難度，同樣也能降低在緊急時(shí)刻潛艇與外界建立通信的暴露幾率。此外，還可將多架潛空航行器分別布置在不同海區(qū)待命，在指定時(shí)間或接到命令時(shí)出水并達(dá)到一定飛行高度，在較大范圍內(nèi)架起“鵲橋”式通信網(wǎng)絡(luò)，從而完成特殊情況下的海上遠(yuǎn)距離通信。

3 潛空跨介質(zhì)航行器的技術(shù)難點(diǎn)

潛空跨介質(zhì)航行器同時(shí)具備了飛行器和水下航行器的特征，而這兩者在設(shè)計(jì)理念上有許多矛盾之處，進(jìn)而產(chǎn)生了一些難點(diǎn)問(wèn)題。

3.1 航行器重量控制問(wèn)題

由于水下深度每增加10 m，航行器就要多承受約 1個(gè)大氣壓的壓力，因此水下航行器為了承受水壓，各類(lèi)設(shè)備都要做一定的處理。最常見(jiàn)的形式是為電子設(shè)備、電池等設(shè)計(jì) 1個(gè)耐壓艙，這顯然要增加航行器的重量。水下航行器對(duì)重量要求沒(méi)有像飛行器那樣嚴(yán)苛，但多數(shù)水下航行器為了在水下有更好的航行性能，要求機(jī)體受到的浮力近似等于重力。除了設(shè)計(jì)時(shí)考慮機(jī)體排水體積和質(zhì)量的關(guān)系外，往往還要在航行器上增加配重和浮力材料以滿(mǎn)足重力、浮力以及重心位置等靜穩(wěn)性要求，這些對(duì)于飛行器來(lái)說(shuō)顯然是增加了不必要的重量。另外，潛空跨介質(zhì)航行器由水下至空中這一過(guò)程要消耗巨大的能量，如果沒(méi)有外界能量輸入，達(dá)到多次出入水的要求就要靠航行器自身攜帶更多的燃料、電池或者采用噴射出水機(jī)構(gòu)，這些都會(huì)導(dǎo)致航行器重量增加。將上述討論的水下航行器設(shè)計(jì)成會(huì)飛的跨介質(zhì)航行器，顯然難以滿(mǎn)足飛行器輕質(zhì)化的要求。將一個(gè)較重的物體帶到天上往往需要較大的機(jī)翼或強(qiáng)大的推進(jìn)器。一些輕小的航模機(jī)翼往往使用輕木制作，考慮到跨介質(zhì)航行器需要在水中航行，因此木質(zhì)材料一般不考慮。機(jī)翼需要盡可能輕又能夠在出水階段快速排水，因此可以考慮使用碳纖維等材料制作一個(gè)中空的機(jī)翼。

3.2 航行器出水問(wèn)題

出水是潛空跨介質(zhì)航行器一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。航行器由水下過(guò)渡到空中這一過(guò)程消耗巨大的能量，出水過(guò)程中水面風(fēng)浪對(duì)航行器的影響，以及出水后作為飛行器的姿態(tài)調(diào)整等都是亟待解決的問(wèn)題[17]。當(dāng)前各研究機(jī)構(gòu)對(duì)航行器出水過(guò)程有不同的方案，因此要考慮的問(wèn)題也不盡相同。例如倫敦帝國(guó)理工大學(xué)的 AquaMAV通過(guò)航行器向后噴水的方式出水，進(jìn)而能夠節(jié)約出水過(guò)程的能量消耗，但這種方式機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜，每次出水前都要想辦法向容器中充入適量的水；而北卡羅來(lái)納大學(xué)和特利丹（Teledyne）公司設(shè)計(jì)的跨介質(zhì)航行器則是簡(jiǎn)單的通過(guò)螺旋槳提供拉力使航行器脫離水面，該方式則需要更多地考慮推進(jìn)器推力，以及出水前后航行器姿態(tài)的調(diào)整等問(wèn)題。

3.3 航行器入水抨擊問(wèn)題

入水抨擊同樣是潛空航行器設(shè)計(jì)過(guò)程中需要關(guān)注的重點(diǎn)。類(lèi)似于水上飛機(jī)的水面降落方式對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求略低，但其滑行距離遠(yuǎn)，整個(gè)入水過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)，不適合一些對(duì)入水位置要求較精確、快速反應(yīng)的任務(wù)。另一種入水方式是參照鳥(niǎo)類(lèi)入水捕食的動(dòng)作，機(jī)身有較大俯角，首部最先入水，此方式對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求很高，但整個(gè)過(guò)程耗時(shí)很短，并更容易達(dá)到特定入水范圍的要求。一些機(jī)構(gòu)對(duì)鰹鳥(niǎo)等由空中入水捕食的鳥(niǎo)類(lèi)進(jìn)行了仿生研究，并設(shè)計(jì)了仿生樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。為了減小入水抨擊帶來(lái)的機(jī)身結(jié)構(gòu)損害，航行器應(yīng)擁有盡可能高的強(qiáng)度，但這往往與輕量化設(shè)計(jì)產(chǎn)生矛盾。此外，入水時(shí)應(yīng)盡可能地降低速度，減小機(jī)身投影面積。

3.4 能量來(lái)源

能量來(lái)源也是關(guān)鍵問(wèn)題之一。長(zhǎng)航程飛行器多使用內(nèi)燃機(jī)等依賴(lài)空氣的推進(jìn)器，而水下環(huán)境不能提供空氣，若使用內(nèi)燃機(jī)則要航行器自帶氧化劑，目前來(lái)看難度較大。因此，推進(jìn)器一般考慮電動(dòng)，能源一般考慮使用電池。為滿(mǎn)足多次出水或長(zhǎng)航程的要求，除了減阻外還需要增加能源攜帶量，而常用的二次鋰電池能量密度十分有限，使用常規(guī)鋰電池就必須要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到巨大的重量對(duì)飛行器帶來(lái)的影響。一些新型電池的研發(fā)可能對(duì)潛空跨介質(zhì)航行器的研發(fā)產(chǎn)生較大幫助，通過(guò)應(yīng)用能量密度較高的電池可大幅度降低航行器的重量，例如小型化的氫氧燃料電池、海水溶解氧半燃料電池，特殊情況下為了提高航程還可使用如鋰氟化碳等一次性電池。

3.5 推進(jìn)器設(shè)計(jì)

潛空無(wú)人航行器推進(jìn)器設(shè)計(jì)也決定了航行器的性能。由于水和空氣物理性質(zhì)差別較大，水下推進(jìn)器和空中推進(jìn)器一般各司其職，難以相互取代，如果潛空跨介質(zhì)航行器同時(shí)配備2類(lèi)推進(jìn)器，無(wú)論是水下或者空中航行都會(huì)有1個(gè)不工作的推進(jìn)器，這顯得很不經(jīng)濟(jì)。因此設(shè)計(jì)一種既能在空氣又能在水中運(yùn)行的推進(jìn)器也是研究者考慮的問(wèn)題。北卡羅來(lái)納大學(xué)和特力丹公司（Teledyne）所設(shè)計(jì)的航行器使用同一個(gè)推進(jìn)器完成水下和空中推進(jìn)，然而其實(shí)質(zhì)仍屬于空中推進(jìn)器，只是在水下工作時(shí)大幅度地限制了功率，可以認(rèn)為是犧牲了水下航行性能所作的妥協(xié)。

輕小型航行器一般選擇電機(jī)作為推進(jìn)器動(dòng)力源。電機(jī)有輕小、調(diào)速簡(jiǎn)單、不依賴(lài)空氣、不產(chǎn)生廢氣等一系列優(yōu)點(diǎn)。在航行器大功率、長(zhǎng)續(xù)航的需求下，使用內(nèi)燃機(jī)等熱動(dòng)力源往往比電機(jī)更加經(jīng)濟(jì)有效，電機(jī)要使用電池作為電源，而大功率、大容量電池往往伴隨著更大的重量問(wèn)題，即這種情況下電池的質(zhì)量比能量要更低，整個(gè)系統(tǒng)負(fù)載加大，效果不佳。潛空無(wú)人航行器熱動(dòng)力研究一直在進(jìn)行，熱動(dòng)力使得高速、大航程航行更加容易。然而，熱動(dòng)力推進(jìn)依賴(lài)燃料和氧化劑，且往往有廢氣、廢水產(chǎn)生，這就大幅度增加了其在水下應(yīng)用的難度，目前尚未了解到有成熟產(chǎn)品應(yīng)用于潛空無(wú)人航行器。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，潛空跨介質(zhì)航行器有著相當(dāng)廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?，目前已有較多的研究機(jī)構(gòu)在從事相關(guān)研究。但從現(xiàn)有的資料來(lái)看，當(dāng)前較多的研究是在理論層面，一些研究機(jī)構(gòu)制作了原理樣機(jī)，僅少數(shù)能完成水下航行、出水、空中航行、入水這一循環(huán)，仍沒(méi)有航行器能夠搭載載荷完成實(shí)際任務(wù)。潛空跨介質(zhì)航行器研究過(guò)程中要解決的難點(diǎn)有很多，但隨著越來(lái)越多的新思路、新方法產(chǎn)生，難題也將迎刃而解，潛空航行器的實(shí)際應(yīng)用只是時(shí)間的問(wèn)題。