基于折疊機(jī)翼布局的跨介質(zhì)無人航行器概念設(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)動性以及空中飛行器飛行速度快的優(yōu)勢。

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

無人系統(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)，主要包括無人機(jī)（UAS）、無人地面車（UGV）、無人水下潛航器（UUV）、無人水面船艇（USV）等裝備。近年來，境外某些國家利用自身的科技優(yōu)勢，在我國沿海地區(qū)布設(shè)無人潛航器，對我國進(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、海流及水下聲場等與軍事活動密切相關(guān)的海洋信息。無人航行器研制對我國?？瞻踩哂兄匾默F(xiàn)實(shí)意義。

2008年，美國國防預(yù)研局設(shè)計(jì)了一種用于特種運(yùn)輸?shù)暮叫衅?，但由于該裝備空氣動力學(xué)和水動力學(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。

無人航行器方案簡介

跨介質(zhì)無人航行器概念圖及運(yùn)行剖面示意圖詳見圖1。其長度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)合了無人機(jī)和無人潛航器的優(yōu)點(diǎn)?？紤]空氣動力和水動力對無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。針對不同介質(zhì)，本文通過計(jì)算流體力學(xué)分析，對機(jī)身外形進(jìn)行修正，找出氣動和水動的平衡點(diǎn)，提高飛行模式下的升阻比，同時(shí)減小水下阻力對運(yùn)行的影響。

圖1 跨介質(zhì)無人航行器概念圖及運(yùn)行剖面示意圖。

無人航行器設(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)翼布局的無人機(jī)可分為水平折疊型和縱向折疊型兩種。但現(xiàn)有無人機(jī)多在空中飛行，同時(shí)考慮水動力和空氣動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)翼的展開過程。該無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)翼展開過程。

本文利用ANSYS FLUENT軟件完成氣動性能的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)算無人航行器繞流流場。針對低速不可壓來流，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)格對整機(jī)的空氣動力學(xué)和水動力學(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；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。圖3是氣動與水動修形后的無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)

無人航行器可使用空速測量單元、俯仰測量單元、加速度測量單元進(jìn)行姿態(tài)測算，通過控制傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和動力源輸出，對不同空速下、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；通過自動調(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/水耦合問題的解決方案

水的密度約為空氣的770倍，動力學(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。

動力與控制技術(shù)優(yōu)化

無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，流體的密度和流動狀態(tài)均會變化。無人航行器計(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)。