變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)分析

張朝陽，楊 峰，劉 凱，夏廣慶,，康會峰，牛堯雨，鹿 暢,

(1. 大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室, 大連 116024;2. 大連理工大學(xué)遼寧省空天飛行器前沿技術(shù)重點實驗室, 大連 116024;3. 北華航天工業(yè)學(xué)院河北省跨氣水介質(zhì)飛行器重點實驗室，廊坊 065000)

0 引言

飛行器是航空航天產(chǎn)業(yè)的核心產(chǎn)品，單介質(zhì)飛行器/航行器技術(shù)已日趨成熟，如航天器(衛(wèi)星等)和飛行器(飛機等)?？缃橘|(zhì)飛行器是指穿越氣/水兩相界面，由空氣進入水中(高速入水)或由水中進入空中(水下發(fā)射)飛行或航行的飛行器，如潛射導(dǎo)彈和反潛魚雷等都屬于典型跨介質(zhì)飛行器?？缃橘|(zhì)飛行器具有軍民兩用的廣闊前景且越來越受重視。

變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器通過改變翼型使得該飛行器能夠適用于水中及空中不同介質(zhì)環(huán)境下的航行，在軍事及民用領(lǐng)域均有廣泛的用途。

第一次把該飛行器用于戰(zhàn)場是二戰(zhàn)前由蘇聯(lián)提出的LPL兩棲飛機，后來經(jīng)歷RFS-1樣機、DARPA樣機等，技術(shù)日趨完善。近代以來，國內(nèi)外十分重視無人機的研發(fā)，單介質(zhì)無人機技術(shù)已日趨成熟。隨著作戰(zhàn)要求的多樣化和指標提升，科研人員開展跨介質(zhì)飛行器的相關(guān)研究。國外的研究主要集中在歐美發(fā)達國家，如英國的布里斯托大學(xué)、帝國理工學(xué)院、美國的MIT林肯實驗室等。我國相關(guān)研究起步較晚，從公開的資料看[1-4]，航天科技集團和航天科工集團的研究院所主要開展跨介質(zhì)飛行器工程研究。國防類院校主要專注單介質(zhì)飛行器或航行器研究，實驗設(shè)備以傳統(tǒng)的循環(huán)水洞為主；而關(guān)于變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器主要集中在高校，如北京理工大學(xué)、吉林大學(xué)、南昌航空大學(xué)等。從我國海洋周邊局勢來看，海洋權(quán)益受到不同程度的威脅，釣魚島、南海等海洋爭端日趨嚴峻，因此對跨介質(zhì)飛行器的研究具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器又稱“會飛的潛艇”，是一種既能滿足水下航行需要又可以滿足空中飛行要求的兩棲飛行器。同時具有空中快速部署、高速飛行、水下隱蔽性好的特點，能夠完成信息交互、緊急突防、多維打擊等重要任務(wù)。作為單獨作戰(zhàn)用武器時，該飛行器具備很好的隱蔽性，能有效完成突防任務(wù)；作為輔助性武器時，該飛行器可以與潛艇相互配合充當潛艇的“眼睛”，從而大大提高潛艇的作戰(zhàn)能力[5-7]。

本文分析了變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器的軍事和民用應(yīng)用前景，綜述了國內(nèi)外跨介質(zhì)飛行器的研究狀況，總結(jié)了其應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和難點所在，提出了發(fā)展方向，從而為跨介質(zhì)飛行器的下一步發(fā)展提供參考。

1 跨介質(zhì)飛行器的優(yōu)勢及用途

跨介質(zhì)飛行器相比單一介質(zhì)飛行器而言，具有空中飛行速度快、水下隱蔽效果好的特點，可廣泛用于中遠程海洋反潛和海上災(zāi)難救援、深海地質(zhì)測繪和探礦找油、水下目標探測與識別、水中無人系統(tǒng)快速投放等，因此無論在軍用還是民用領(lǐng)域都有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1.1 軍事領(lǐng)域

跨介質(zhì)飛行器在軍事上的用途主要集中體現(xiàn)在跨介質(zhì)航行、信息交互、協(xié)同作戰(zhàn)等方面。跨介質(zhì)飛行器具有快速發(fā)射、快速響應(yīng)的能力，能夠在較短的時間內(nèi)完成偵察、監(jiān)視以及情報收集的任務(wù)，機身上安裝了微型光電和紅外傳感器，操作人員可以利用這些傳感器對目標實時監(jiān)測[8-11]，集成了潛艇和飛機的特點，能夠增強軍隊執(zhí)行沿海作戰(zhàn)時的作戰(zhàn)能力。

1.2 民用領(lǐng)域

跨介質(zhì)飛行器在民用領(lǐng)域也有很大的應(yīng)用前景。對于普通的無人機，如果要完成海上搜救任務(wù)時需要多個無人機協(xié)同，但對于跨介質(zhì)飛行器而言，由于該飛行器能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境，可單獨完成搜救任務(wù)。此外，該飛行器也可以單獨完成臺風(fēng)、洪災(zāi)、海嘯等災(zāi)害下的海面搜救、通信中繼等任務(wù)；還可以進行海洋資源勘測、海洋平臺的觀察、水文氣象測量等。飛行器在完成這些作業(yè)時具有其他飛行器無法比擬的優(yōu)勢，既可以快速飛到指定區(qū)域，又可以潛入水下完成特定任務(wù)。這樣不僅增加了工作效率，更大大增加了任務(wù)的成功率[3，12]。

2 變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

2005年，美國洛克希德-馬丁空間系統(tǒng)公司對仿生“鸕鶿”跨介質(zhì)飛行器進行首輪實驗，如圖1所示。該飛行器由潛艇攜帶，在潛艇發(fā)射通道內(nèi)機翼呈折疊狀，最大能夠承受46米水深的壓強。執(zhí)行特定作業(yè)時，飛行器由潛艇釋放，采用火箭發(fā)動機推動其加速飛出水面，實現(xiàn)從水中到空中的過渡。出水后機翼展開，采用渦輪發(fā)動機推進，完成任務(wù)后降落到水面對其進行回收處理。由于成本過高的問題，該項目于2008年終止[13-15]。

圖1 仿生“鸕鶿”跨介質(zhì)飛行器Fig.1 Bionic ‘Cormorant’ trans-media aircraft

2007年，美國科爾摩根公司研發(fā)了一款從潛艇發(fā)射的跨介質(zhì)飛行器“海哨兵”，如圖2所示。“海哨兵”由潛艇的桅桿處發(fā)射，飛離水面后機翼展開，“海哨兵”尾部的螺旋槳為其提供動力。同樣，“海哨兵”執(zhí)行完任務(wù)后需要回收處理才能執(zhí)行下一次任務(wù)[16-17]。

圖2 “海哨兵”跨介質(zhì)飛行器Fig.2 ‘Sea Sentinel’ trans-media aircraft

2011年，美國軍方提出將“彈簧刀”無人機與潛艇相結(jié)合的設(shè)想。如圖3所示，“彈簧刀”無人機使用發(fā)射器進行彈射起飛，出筒后機翼彈開，伺服電機帶動螺旋槳為其提供動力?！皬椈傻丁迸c潛艇結(jié)合，是將帶有“彈簧刀”的運載器由潛艇的桅桿或者魚雷發(fā)射筒拋出，運載器上浮到水面后“彈簧刀”與運載器分離。由于“彈簧刀”體積小，攜帶能源有限，因而續(xù)航能力較差[18]。

圖3 “彈簧刀”及其發(fā)射流程Fig.3 ‘Switchblade’ and its launch process

2011年，美國麻省理工學(xué)院機械工程系研制出仿生“飛魚”跨介質(zhì)飛行器，如圖4所示。通過高速相機捕捉“飛魚”進出水的瞬間，并分析其運動狀態(tài)和水動力特性。同時還對“飛魚”進行了水下控制研究，魚鰭的波動能改變運動狀態(tài)。雖然“飛魚”出水后的飛行短暫，但對跨介質(zhì)飛行器的后續(xù)研究具有重大意義[19-21]。

圖4 “飛魚”設(shè)計圖及其樣機Fig.4 ‘Flying Fish’ design drawing and its prototype

2012年，美國麻省理工學(xué)院的林肯實驗室研制了仿生“鰹魚”跨介質(zhì)飛行器，如圖5所示?！蚌烎~”的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是可折疊機翼，在空中飛行時機翼展開，當飛行器俯沖入水時機翼折疊。折疊后可以減小入水時的水阻，同時也可以避免入水的沖擊力損壞機身結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)階段，該飛行器只能實現(xiàn)由空入水的單向跨介質(zhì)。后續(xù)需要解決由水入空的動力問題和機翼展開的結(jié)構(gòu)問題[22-23]。

圖5 “鰹魚”模型Fig.5 ‘Bonito’ model

2016年，英國帝國理工學(xué)院研制了一款仿烏賊的跨介質(zhì)飛行器“水?！?如圖6所示。該飛行器模仿烏賊的噴射，攜帶少量的液體向下噴出實現(xiàn)起飛。其入水的方式為濺落式入水，機翼在入水前折疊，頭部螺旋槳率先入水，入水后依舊是頭部螺旋槳為其提供航行動力?！八！笨捎糜谔囟▍^(qū)域的數(shù)據(jù)采集、海洋平臺監(jiān)測。該飛行器在向下噴射時采用高壓氣體，為跨介質(zhì)飛行器的研究提供了新的思路[24-25]。

圖6 “水?！睂嵨飯DFig.6 ‘Buffalo’prototype

2018年，美國北卡羅萊納州大學(xué)研制了固定翼跨介質(zhì)飛行器“鷹鰩”，如圖7所示。該飛行器長約1.4 m，機翼展開后約1.5 m，質(zhì)量約5.7 kg，機身的材料主要由碳纖維和鋁合金構(gòu)成，在空中和水下由同一個伺服電機提供動力，具備自動控制和手動控制兩種模式?？梢詮乃嫫痫w進入空中也可在水中長時間航行，起飛的大致流程為：1)由螺旋槳提供動力到水面附近；2)向機身內(nèi)部注水方便機身直立然后由螺旋槳推動駛出水面；3)飛到一定高度排出機身內(nèi)部的儲水，改為平飛狀態(tài)；4)完成任務(wù)后降落回水面[26-27]。

圖7 “鷹鰩”航行圖Fig.7 ‘Eagle Ray’ sailing

圖8 “鷹鰩”出水圖Fig.8 ‘Eagle Ray’rising from water

2019年，英國帝國理工學(xué)院研制出新一代噴水式跨介質(zhì)飛行器，如圖9所示。與之前使用壓縮氣體噴出的結(jié)構(gòu)不同，該飛行器采用化學(xué)試劑氧化鈣與水反應(yīng)產(chǎn)生的動能，并將其設(shè)計成三角形以提高其穩(wěn)定性[28]。

圖9 新一代跨介質(zhì)飛行器Fig.9 A new generation of trans-media aircraft

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)階段國內(nèi)對跨介質(zhì)飛行器的研究主要集中在樣機原理驗證、跨介質(zhì)過渡兩個方面[29]。

2009年，北京航空航天大學(xué)研制了一款仿“飛魚”的跨介質(zhì)飛行器，如圖10所示?！帮w魚”的設(shè)計參照了真實飛魚、飛鳥兩棲的特性，同時也參考了飛機的構(gòu)造，使其具備水面起飛和降落的能力?！帮w魚”通過透水艙和壓載水艙可以完成水下航行作業(yè)。其機翼采用可變后掠九十度結(jié)構(gòu)，可以減小水下航行的阻力，有利于機身的快速上浮和排水[30]。

圖10 “飛魚”運動狀態(tài)Fig.10 ‘Flying fish’ movement state

2011年，南昌航空大學(xué)研制出了油電混合和純電動的跨介質(zhì)飛行器，如圖11所示。兩種樣機的機翼采用可變后掠九十度結(jié)構(gòu)以減小阻力。該飛行器水下、水面均采用尾部螺旋槳為其提供動力；在空中飛行時使用機身前部的螺旋槳提供動力。研究人員對其可行性進行了測試，發(fā)現(xiàn)其升空阻力過大、動力不足，因此沒有完成水面起飛這項任務(wù)[31-33]。

圖11 南昌航空大學(xué)跨介質(zhì)飛行器Fig.11 Trans-media aircraft of Nanchang Hangkong University

2012年，西北工業(yè)大學(xué)在空氣空力學(xué)和二元平面滑行的理論上建立了跨介質(zhì)飛行器的理論模型，對雙向跨介質(zhì)和影響因素開展了更深入的研究[34]。

2015年，北京航空航天大學(xué)研制了仿“鰹鳥”的跨介質(zhì)飛行器,如圖12所示。首先，運用計算流體力學(xué)知識對鰹鳥入水進行了仿真分析；然后，根據(jù)仿真結(jié)果改進機身結(jié)構(gòu)。在飛行器駛出水面時，氣泵向頭部的四個氣球充氣，使機身垂直并向上漂浮，尾部螺旋槳工作加速飛出水面,飛出水面后機翼展開[35]。

圖12 “鰹鳥”跨介質(zhì)飛行器Fig.12 ‘Boobies’ trans-media aircraft

2016年，空軍工程大學(xué)提出將跨介質(zhì)飛行器的機翼多次折疊，使其可以放入形似魚雷發(fā)射筒的運載器中，通過魚雷發(fā)射管道發(fā)射出來，然后由運載器攜帶無人機至水面彈射出來[5，36]。

2019年，上海交通大學(xué)研制出帶有浮筒式的跨介質(zhì)飛行器“哪吒”,如圖13所示?！澳倪浮本哂写怪逼痫w降落、水空巡航、跨介質(zhì)多次穿越的能力，同時也利用了海面效應(yīng)，大幅減小了水面航行的阻力，可以有效避開高空雷達實現(xiàn)更高效的突防[37-38]。

圖13 “哪吒”跨介質(zhì)飛行器Fig.13 ‘Nezha’ trans-media aircraft

2019年，北京航空航天大學(xué)研制出一款能改變結(jié)構(gòu)的跨介質(zhì)飛行器“飛行烏賊”,如圖14所示。在水下使用噴流推進器提供動力，但在空中不能持續(xù)飛行[39-40]。

圖14 “飛行烏賊”的樣機圖Fig.14 The prototype of the ‘flying squid’

跨介質(zhì)飛行器是近年新概念飛行器的研究熱點，現(xiàn)階段已有一些科研機構(gòu)和高校著手相關(guān)工作，積累了寶貴經(jīng)驗，但與國外技術(shù)水平相比尚有差距[41]。

3 跨介質(zhì)飛行器關(guān)鍵技術(shù)

跨介質(zhì)飛行器兼具飛機的飛行能力和水下航行器的潛航能力，但是并不是二者之間的簡單相加，而是多種技術(shù)的集成?？諝夂退奈锢硇再|(zhì)差別巨大，水的密度是空氣的 800 多倍，黏性系數(shù)是空氣的 59 倍，因此，跨介質(zhì)與單介質(zhì)飛行器在阻力、氣動和水動外形、材料和結(jié)構(gòu)強度、推進系統(tǒng)、航行或飛行控制、通信方式等方面存在巨大差別。關(guān)于變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器關(guān)鍵技術(shù)研究主要體現(xiàn)在跨介質(zhì)過渡方案設(shè)計問題、跨介質(zhì)飛行器構(gòu)型設(shè)計、跨介質(zhì)飛行器動力技術(shù)、跨介質(zhì)飛行器入水后的機體水密技術(shù)、跨介質(zhì)飛行器跨介質(zhì)過程中的姿態(tài)穩(wěn)定控制等問題[27，42]。

3.1 跨介質(zhì)過渡方案設(shè)計問題

根據(jù)跨介質(zhì)飛行器出入水跨越方式的不同，可將飛行分為漸變式跨越和瞬間式跨越兩種類型。漸變式跨越時要在水面上滑行一段時間，然后再起飛或者潛入水中；瞬間式跨越類似導(dǎo)彈出水的瞬間是直接跨越而沒有緩沖的過程。兩種跨越介質(zhì)的方式代表了不同的設(shè)計理念和作業(yè)要求。漸變式跨越時機身受到的沖擊小，飛行器變體時間充裕，跨越過程中對控制的要求較低，但是對飛行器的外形具有較高要求，要滿足機身結(jié)構(gòu)在水面滑行。因此，此類跨越對機身的形狀以及在水中受到的阻力都要考慮在內(nèi)。瞬間式跨越時機身受到的沖擊較大，機身變體的時間較短，難以把控機身變體的時機，該種跨越介質(zhì)的方式?jīng)_擊力大，難以對其進行控制，且對機身的材料強度具有較高要求[43-47]。

3.2 跨介質(zhì)飛行器變構(gòu)型設(shè)計問題

跨介質(zhì)飛行器需要適應(yīng)水、空兩種介質(zhì)環(huán)境，滿足水下航行、水面滑行、空中飛行三種運動狀態(tài)，從水到空和從空到水兩種跨越狀態(tài)，因此該飛行器必須滿足多種航行狀態(tài)的構(gòu)型要求、變體的技術(shù)要求。為了適應(yīng)水和空氣兩種不同介質(zhì)的減阻需要，大部分跨介質(zhì)飛行器采用了變體結(jié)構(gòu),如圖15所示。變體的基本設(shè)計思路是在空氣中滿足飛行條件，在水中航行時需要進行變體以減小在水中受到的阻力，并滿足耐壓要求和跨介質(zhì)時的結(jié)構(gòu)強度要求?，F(xiàn)階段跨介質(zhì)飛行器上的變體結(jié)構(gòu)主要是仿生撲翼、后掠翼和折疊翼。變體技術(shù)雖然能夠很好地解決跨介質(zhì)過渡以及水空航行狀態(tài)的調(diào)整問題，但是變體技術(shù)增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，對控制系統(tǒng)有更高的要求，同時也增加了操作的難度[48-50]。

3.3 變構(gòu)型跨介質(zhì)動力方案設(shè)計問題

由于空氣和水的氧氣含量以及所要求的工作條件不同，如何設(shè)計和選擇跨介質(zhì)飛行器的動力系統(tǒng)，是飛行器在這兩種介質(zhì)中獲得充足動力的關(guān)鍵。目前，傳統(tǒng)的跨介質(zhì)飛行器采用的能源一般是航空燃料類、鋰電池、環(huán)保型燃料。由于水下氧氣量少不能滿足燃料燃燒的需要，所以潛水無人機均是采用電能作為能量源。目前跨介質(zhì)飛行器基本采用電動式，但是由于變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器機身大小的限制使電池偏小，導(dǎo)致跨介質(zhì)飛行器的續(xù)航能力不能滿足長時間飛行[51-52]。

此外，國內(nèi)相關(guān)單位也正在開展組合動力發(fā)動機、水沖壓發(fā)動機技術(shù)等研究，為變構(gòu)型跨介質(zhì)飛行器提供動力技術(shù)支持。

3.4 跨介質(zhì)飛行器入水后的機體水密問題

根據(jù)跨介質(zhì)飛行器入水方式的不同，可以把飛行器入水分為間接入水和直接入水。先在水面上滑行然后進入水中的稱為間接入水，而沒有滑行階段直接入水的稱為直接入水。其中，間接式入水對飛行器機身的沖擊較小，變體時間充裕，可以更好地把握變體時機，但為了滿足滑行減速對外形結(jié)構(gòu)要求較高。直接式入水對機身的沖擊較大，要在很短的時間內(nèi)完成變體和動力轉(zhuǎn)換，該方式跨越介質(zhì)簡單、速度快因此適合高速飛行器。由空入水時，空氣螺旋槳停止工作，可折疊的螺旋槳垂下緊貼機身，排氣裝置開始工作，然后關(guān)閉進排氣通道，電機帶動水槳開始工作，為無人機水下航行提供動力。

跨介質(zhì)飛行器對水密結(jié)構(gòu)影響較大，水密結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮密封結(jié)構(gòu)的合理布局、工藝分離等問題。

3.5 跨介質(zhì)飛行器跨介質(zhì)過程中的姿態(tài)穩(wěn)定控制

跨介質(zhì)飛行器跨介質(zhì)飛行時工作環(huán)境復(fù)雜多變且具有較強耦合的運動過程，為了保證機身有充足的穩(wěn)定性，同時滿足變體結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，通過跨介質(zhì)飛行器的氣動/水動布局的優(yōu)化設(shè)計，保證跨介質(zhì)飛行器在兩種介質(zhì)中的縱向和橫向的穩(wěn)定性。通過強擾動下的非線性控制技術(shù)、跨介質(zhì)一體化控制技術(shù)、變形協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究提升跨介質(zhì)飛行器姿態(tài)控制的穩(wěn)定性。

4 跨介質(zhì)飛行器發(fā)展展望

目前，針對跨介質(zhì)飛行器的研究主要從設(shè)計、仿真和原理樣機的研制等方面入手，針對本文提出的技術(shù)難題可從以下方面開展攻關(guān)：

1)聚焦跨介質(zhì)過渡機理研究：水空過渡過程流場變化十分復(fù)雜，需要進行大量的仿真和實驗，對實驗過程中工作機理進行研究分析，為其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制和完善提供充足的理論依據(jù)。

2)開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計：跨介質(zhì)飛行器第一代樣機主要起到驗證作用，存在結(jié)構(gòu)上的問題，需要對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在保證強度的情況下盡量優(yōu)化機身的結(jié)構(gòu)、減小機身的質(zhì)量及水下受到的阻力。

3)加強運動控制研究：在空中多次進行實驗改進飛行控制參數(shù)，在水下優(yōu)化控制參數(shù)獲得較好的航行性能，在跨介質(zhì)時制定好控制策略以便于在復(fù)雜的情況下飛行器能保持平穩(wěn)運行。

4)推動新型能源方案試驗：開展氫質(zhì)子交換膜燃料電池方案研究，該方案可以把燃料的化學(xué)能有效轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，具有質(zhì)量小、能量大的優(yōu)點且密封性好，適合在水下工作。

5)拓展新的任務(wù)模式：跨介質(zhì)飛行器可以與潛艇、反潛艇等協(xié)同使用，更大程度地發(fā)揮跨介質(zhì)飛行器的價值?？缃橘|(zhì)飛行器可以配合潛艇進行作戰(zhàn)，能為潛艇偵察敵情、勘測地形，也可以由潛艇遠程遙控對目標進行精準打擊，可以充當潛艇的“拳頭”和“眼睛”。同時，無人機群還能進行信息交互，多維度的偵察敵情，大大增強了潛艇對戰(zhàn)場的把控、減小了被發(fā)現(xiàn)的風(fēng)險、增強了潛艇的總體作戰(zhàn)能力。

隨著技術(shù)的發(fā)展，跨介質(zhì)飛行器自主作戰(zhàn)能力越來越強，可以作為突破敵人防線的利器，還可以作為偵察和通信中繼，同時可以完成掃雷、反潛等作戰(zhàn)任務(wù)，尤其是機群的建立，使其具備更大的殺傷力，讓敵人防不勝防，勢必成為海軍作戰(zhàn)的中堅力量。