[发明专利]一种两栖式跨介质飞行器及其跨介质控制方法

说明书

本发明公开了一种两栖式跨介质飞行器及其跨介质控制方法，整机采用多旋翼结构，旋翼的数量N为4以上的偶数，动力系统包括n*N个动力单元，各旋翼上均安装n个动力单元，动力单元包括螺旋桨和用于驱动螺旋桨的电机，动力系统中各电机的总功率P不小于三倍整机悬停功率，总推力不小于1.5倍整机自重；跨介质飞行器的水平尺寸t远大于或远小于待进出水域波浪的波长，整机密度大于待进入水域的水密度。本发明提供的两栖式跨介质飞行器，采用多旋翼结构，有效提高对两种工作环境的兼容性，能够快速入水，通过尺寸设计和动力系统功率设计，共同解决水面波动对稳定出水造成的严重影响，出水速度可缩短至1s内，出水可靠性可达99.8％以上。

技术领域

本申请属于无人机技术领域，具体涉及一种两栖式跨介质飞行器及其跨介质控制方法。

背景技术

两栖式跨介质飞行器将空中飞行器、水面航行器和水下潜航器三种无人工作系统集成一体，在单一平台上就可以同时具备空中飞行、水面航行和水下潜航三种功能。该平台不仅机动灵活，也能更好地适应各种环境条件，具有一定通用性和隐蔽性。

两栖式跨介质飞行器突破了传统单一介质无人系统平台的局限性，它既有水面飞行器的飞行特点，又有水下航行器的潜行特点，因而具备极佳的环境适应性。同时也能够有效利用各种探测设备的盲区，快速、隐蔽地突破目标防御系统，高效便捷地执行远程侦察、打击等任务。

两栖式跨介质飞行器一直以来都是人类热衷研究的新型飞行器。以往的研究和设计制作通常围绕固定翼外形的飞行器而展开，水和空气两种介质环境的差异给此类设计带来了巨大挑战。数百倍的密度差使得固定翼外形的两栖式跨介质飞行器难以应对复杂的升力、阻力、浮力。同时，飞行器跨介质瞬间，由兴波阻力和地面效应等因素带来的控制问题也一直没有得到彻底解决。

目前的固定翼两栖式跨介质飞行器为了克服水和空气两种介质环境的差异所带来的技术问题，采用变体结构固定翼，例如英国布里斯托大学开发的“仿生扑翼”跨介质飞机和美国MIT机械工程系开发的“仿生飞鱼”飞行器等。或者为了适应水下环境而增添附加系统，例如北京航空航天大学研制了一款仿生鲣鸟的跨介质飞机，该平台设计了两套不同的推进系统来兼容水空两种介质，起降时均采用气囊协助实现姿态调控。

综述以上，在国内外的各个科研机构，现有的成果都不能成熟可靠地实现跨介质飞行。有的不能实现自主跨介质，只能在单一介质环境下航行；有的为实现跨介质飞行而采用了变体结构设及，增加了复杂度。因此，目前的研究成果均不能在短时间内批量生产并投入营运。而随着信息不断发展，目标用户的任务需求越来越复杂，无人飞行器平台所承担的任务也就越来越艰巨。因此，市场对于这种多功能飞行器需求也会更加强烈。

至此，开发出一款成熟可靠、多功能性、能真正实现跨介质飞行的两栖式无人飞行器就十分必要。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种两栖式跨介质飞行器及其跨介质控制方法，采用多旋翼结构，规避固定翼布局的固有矛盾，有效提高了跨介质飞行器对两种工作环境的兼容性，能够快速入水出水，且出水姿态稳定。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种两栖式跨介质飞行器，所述跨介质飞行器为多旋翼结构，所述旋翼的数量N为偶数，且N≥4；所述跨介质飞行器的动力系统包括n*N个动力单元，n为正整数，各所述旋翼上均安装n个所述动力单元，所述动力单元包括螺旋桨和用于驱动螺旋桨的电机，所述动力系统中各电机的总功率P≥3P1、总推力F≥1.5G，其中P1为所述跨介质飞行器在悬停状态下所需的动力系统中各电机的总功率，G为所述跨介质飞行器的重力；所述跨介质飞行器的水平尺寸t与待进出水域的波浪的波长λ满足：t≥4λ或t≤0.25λ；所述跨介质飞行器的整体密度大于ρ0，ρ0为待进入水域的水密度。