旋翼类飞行潜航器的发展及关键技术

刘 安，冯金富，廖保全，李永利，郭桃平

(1. 空军工程大学 航空航天工程学院，陕西 西安 710038；2. 中国人民解放军 95380部队，广东 湛江 524000)

研究综述

旋翼类飞行潜航器的发展及关键技术

刘 安1，冯金富1，廖保全1，李永利1，郭桃平2

(1. 空军工程大学 航空航天工程学院，陕西 西安 710038；2. 中国人民解放军 95380部队，广东 湛江 524000)

飞行潜航器（Unmanned Aerial Underwater Vehicle，UAUV）在水空搜救、水下结构物探测具有广阔的应用前景。本文通过对主要飞行器、水下航行器的比较分析，认为多旋翼飞行器是目前技术条件下最适合水空 2 种环境使用的构型。综述国内外主要旋翼类飞行潜航器（Multi-Rotor Unmanned Aerial Underwater Vehicle，MUAUV）的研究和发展现状，分析旋翼类飞行潜航器的特点，论述飞行潜航器发展急需解决的关键技术。

旋翼；飞行；潜航；水空跨越

0 引 言

飞行潜航器又称为跨介质飞行器、水空两栖飞行器、潜水飞机和飞行潜艇等[1–4]，是指能够多次跨越水空界面且能持续航行，重复使用的新型航行器。它不同于潜射导弹、空投鱼雷等单次水空介质“穿越”的航行器，不仅具有空中飞行能力和水下航行能力，而且具有连续多次自由穿越水空界面的能力。由于其广阔的军民用价值[2]已成为国内外研究的热点。

受制于水空环境的巨大差异，选择合适的机身结构是实现飞行潜航器的关键。据已有文献记载，已使用过固定翼（见图 1）、变后掠翼（见图 2）、扑翼、四旋翼等多种形式。下面从飞行器结构、适用性等多方面分析现有航空器水下航行，现有水下航行器空中飞行的可行性。

固定翼飞机在发动机的推动下，借助流经机翼上下表面的稳定气流产生的升力实现空中飞行。飞行过程平稳，续航能力较好，飞行效率高。固定翼飞行器具有优异的空中飞行性能，但提供升力的机翼严重阻碍了其水下航行。有研究提出了变后掠翼、折叠翼等方案[5–6]，将机翼折叠收入机身，但需要设计复杂的机械结构。

直升机通过旋转的旋翼产生克服飞机重力的升力，具有优异的垂直起降和悬停性能。直升机旋翼和传动机构构造复杂，上千个活动部件通过复杂的机械结构连接在一起，使得直升机故障率高，维护性差。

倾转旋翼飞机与固定翼相比，拥有较为复杂的倾转机构，开发、维护、使用成本较高。倾转旋翼飞机具备较好的操控性，具备垂直起飞、着陆和低空悬停性能。

多旋翼飞行器通过控制多个旋翼转速进而调整旋翼产生的升力实现对飞行器飞行的控制，飞行稳定，操控性能好。尽管当前多旋翼是飞行器发展的热门，但是多旋翼飞行器能量效率低，续航时间短，大量研究和开发的也只是一些小型多旋翼飞行器[8]。

飞艇是一种轻于空气的飞行器。通常在巨大的气囊内部填充密度比空气小的气体，现在使用较多的是氦气。飞艇飞行过程能量消耗少，无噪声干扰，能够悬浮在空中。但是飞艇体积大，比空气轻，很难应用于水下航行。

扑翼飞行器是一种模仿昆虫或鸟类飞行的新型飞行器[9–10]，控制灵活，低雷诺数下控制效率较高。扑翼飞行器负载能力较低，动力学模型复杂，扑翼的结构、材料还有待于进一步研究。

在水下航行器方面：一种是具有流线型外形的水下航行器，它们通常具有封闭的结构，类似鱼雷或者潜艇的流线型外形。这类水下航行器负载能力较强，水下航行速度较高，能量消耗相对较大[11]。另一种是不具有流线型外形的水下航行器，这一类通常是遥控水下潜器，具有开放的结构，水下航行速度阻力大，航行速度小。这类航行器通常比飞行器甚至流线型水下航行器重很多，空中飞行难度较大。

通过以上分析，选出固定翼飞机、直升机、多旋翼飞行器、扑翼飞行器、水下航行器（主要指具有流线型外形的水下航行器，如鱼雷、潜艇等），根据已有的研究[12]和经验从空中飞行可控性、水下航行可控性、负载能力、续航能力、结构简易程度、悬停性能、环境适应性能、空气动力学建模、水动力学建模、附加质量（水）、水空跨越敏捷性、水空跨越可重复性、可维护性几个方面进行量化评估，分数越高即航行器在该方面性能越好，评估结果如表 1 所示。

表 1 水、空航行平台两栖能力评估Tab. 1 Aquatic performance evaluation of common aircrafts and underwater vehicles

其中，环境适应性能是指航行器对发射（布放）、巡航、回收等使用过程中对场地自然环境及配套设施的要求；附加质量主要指航行器水下航行时，流体环境对航行器影响的度量，与流体物理特性、航行体外形、航行速度等有关；水空跨越敏捷性是指航行器在从空气到水、水到空气的准备时间。从以上评估可发现，多旋翼飞行器机械结构简单、环境适应性好、有成熟的空气动力学模型，是当前作为水空跨越航行器的最佳选择。

1 旋翼类飞行潜航器的发展

近几年以四旋翼为主的多旋翼无人机异军突起，打破了直升机和固定翼飞机作为无人机领域的霸主局面。大疆、零度等新型科技公司开发的多旋翼飞控、多旋翼无人机一体机以其稳定的飞行性能和简便的操纵性能，大大降低了航空摄影的难度和成本。

2014 年，一些航模爱好者制造出了几种防水的多旋翼飞行器，较为经典的有国外工程师开发的 Mariner防水四旋翼[13]，浙江大学学生钱晨辉制作的“不怕水的四旋翼”[14]，泰国公司研制的 QuadH2O 防水四旋翼和 HexH2O 海面运动六旋翼[15]等。这些多旋翼不仅能够在空中飞行，而且能够降落在水面及从水面起飞，但它们并不能进行水下航行。

2014 年 9 月，Paulo Drews-Jr 提出了基于四旋翼平台的无人两栖航行器（Hybrid Unmanned Aerial Underwater Vehicle，HUAUV）[12]。该航行器使用 4 个 4 叶螺旋桨用于水下推进，4 个2叶空气螺旋桨用于空中飞行（见图11）。Paulo Drews-Jr 在分析多种飞行器结构之后认为，多旋翼是实现水空两栖航行器的最佳结构。Paulo Drews-Jr 建立该航行器的仿真模型，并对水空跨越过程进行仿真，验证了该结构在水空跨越飞行的可靠性。

2015 年，奥克兰大学学者 Hamzeh Alzu’bi 研制出了基于四旋翼结构的水空两栖航行器并尝试通过单层的空气螺旋桨实现空中和水下的驱动[16–17]。该航行器空中飞行和水下航行均使用单层螺旋桨，借助由水深传感器和排注水变浮力装置组成的深度控制系统调节航行器潜水深度。Hamzeh Alzu’bi 搭建了螺旋桨实验平台，对定距空气螺旋桨气动/水动性能进行了研究。通过仿真和试验研究结果表明，空气螺旋桨低速（约 180 r/min）水下工作时能够满足航行器水下机动的动力。Hamzeh Alzu’bi 最终选择了 8 in 螺距为 3.8 in的定距空气螺旋桨制造出了图 12 所示的两栖四旋翼进行相关试验。经过多次改进之后，研制出图 13 所示名为 Looncopter 的两栖无人机。该研究团队表示，Looncopter 可以为水上运动者提供水下视角，用于水下搜救或检测。

同一年，罗格斯大学发布了在美国海军资助下研制的“Naviator”（领航者）水空多旋翼两栖航行器。Naviator 采用双层共轴八旋翼设计，8 个旋翼均使用小尺寸的空气螺旋桨，能够较好地实现空中飞行、水下航行和水空无缝跨越[18]。限于水空通信障碍，Naviator通过电缆与水面的信号接收装置连接在一起，罗格斯大学的研究者正考虑借助声脉冲对 Naviator 实现无线控制。即使拥有 8 个旋翼，但由于旋翼尺寸较小，Naviator 飞行速度低、负载能力差也是研究团队亟待攻克的难题。

空军工程大学提出以四旋翼的“X”开放结构来满足飞行潜航器的水下耐压和空中飞行质量轻的要求；以双层四旋翼布局使用上下层推力接力的方式完成飞行、潜航、水空跨越过程[19]，并先后提出了 3 种机身结构方案（见图15）。

方案 1 采用铝合金机架，4 根铝合金方管呈 90° 交叉布置，耐压水密舱在机身下方，水空动力单元背向安装；方案 2 采用碳纤维管机架，质量轻，强度高。上下层间距通过 4 根铝合金立柱调整，水空动力单元同向布置；方案 3 采用 3D 打印机身，8 个悬臂从机身伸出整体成型，控制电路、元器件集中安装在机身内，电路走线也在悬臂内，整体美观。基于方案 1 研制水空两栖飞行器使用超短波破解水空通信障碍，实现了淡水浅水域的无线通信，基于 Labview 搭建了飞行参数地面显示系统。

2 旋翼类飞行潜航器的特点

旋翼类飞行潜航器结构简单，不用依赖复杂的机械机构变形来适应水空环境。

旋翼类飞行潜航器入水相对容易，在出水时与其他类型的航行器动力“冲”出水面[20–21]相比，不要求具备较大的初始出水速度。但必须保证空气螺旋桨完全处于空气中，通过空气螺旋桨的升力将航行器“拔”出水面。如果出水过程中，高速旋转的螺旋桨一旦碰触水面，将会使螺旋桨转速骤然减小，导致航行器剧烈抖动、倾覆而出水失败。为了保持航行器出水过程的稳定，研究人员想到了 2 种方式：一是奥克兰大学研制的 Looncopter 两栖无人机采用变浮力装置对航行器所受浮力状态进行调整，使航行器漂浮在水面；二是罗格斯大学的 Naviator 和空军工程大学的四旋翼水空两栖飞行器均采用双层动力装置，下层动力装置保持航行器在水面处于有利的起飞姿态。

旋翼类飞行潜航器依靠旋翼提供水下和空中航行的动力，空中飞行时旋翼推重比要持续保持在1以上才能实现稳定的控制，空中使用能耗较高。水下航行处于中性浮力状态时，动力推进效率较高，水下姿态调整灵活，适用于狭小区域。

3 关键技术与展望

从现有的旋翼类飞行潜航器来看，不管是 Naviator水空航行器还是四旋翼水空两栖飞行器，这些航行器虽然能完整、重复实现空中飞行、入水跨越、水下航行、出水跨越全部过程，但离真正的实际应用还面临很多挑战。

3.1 水空跨越关键技术

进一步完善水空跨越机理、水空界面物理特性研究是实现平稳出水、入水的前提。出入水过程伴随着空泡、冲击等复杂的流固耦合现象，当前的研究仅仅建立在相对简化模型的基础上。理论上，要想建立精准的控制模型，实现对航行器的准确控制，水空跨越机理研究是其前提；技术上，不管是在水下航行器集成空中飞行能力，还是在飞行器上集成水下潜航本领都具有极大的开创性，都需要对水空跨越物理现象进行深入研究。

3.2 自主控制技术

无人系统的发展终将走向智能化方向，由于水空通信障碍，飞行潜航器的水下智能控制显得尤为重要。高度智能化的飞行潜航器不仅仅能够完成简单的空中飞行、水下航行，还能够根据环境和面临的威胁自主决策水空跨越时机，自主完成水空跨越。

3.3 动力能源技术

续航时间短作为多旋翼飞行器的短板之一，严重限制了多旋翼飞行器的推广使用。旋翼类飞行潜航器空中飞行时，自重大，旋翼效率低。增加续航时间，扩展飞行潜航器工作区域必须破解新型能源技术，开发高效率太阳能电池，氢燃料电池等新型燃料电池。

3.4 水空传感器技术

飞行潜航器在飞行、潜航、跨越、执行任务等过程中需要精确的姿态反馈，每个控制动作的实现都严重依赖各种传感器的可靠工作。由于工作环境的不同，飞行潜航器需要适应水空 2 种环境的传感器，对传感器小型化、低耗能、智能化提出了较高要求。新型传感器、多传感器信息融合等技术是航行器智能化的前提。

3.5 水空通信技术

复杂多变的水下环境，水介质对电磁波的衰减使得水下无线通信受到了极大的限制。实现高效率的信息交互必须把握有限的空中飞行时间，研究实时、高效的水空通信策略；研究微小型化的水声通信设备，实现水下环境的远距离高速通信。

3.6 多机编队组网

单个旋翼类飞行潜航器负载能力、搜索范围有限，面对复杂战场环境难免因各种意外出现损伤而导致任务无法完成。多机组网可以完成单一航行器难以完成的任务，特别是在面对大面积海域探测、水文条件复杂等特殊条件下的任务，因此，多机组网编队使用是未来的重要发展方向。编队内信息共享，应对各种突发情况，有效提高系统冗余能力、生存率和任务完成效率。

4 结 语

飞行潜航器的研制和开发是一门集流体力学、结构力学、控制学科、材料学科等于一体的综合性科学技术，具有极大的技术挑战性和开拓性，同时也具有巨大的应用价值。旋翼类飞行潜航器是目前技术条件下仅有的能够完成空中飞行、水下航行、水空跨越的航行器，但仍然面临着控制模型粗糙，续航时间短，水下通信困难等技术难题。

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Progress and key technologies of multi-rotor unmanned aerial underwater vehicle

LIU An1, FENG Jin-fu1, LIAO Bao-quan1, LI Yong-li1, GUO Tao-ping2
(1. Aeronautics and Astronautics Engineering College, AFEU, Xi’an 710038, China; 2. No. 95380 Unit of PLA, Zhanjiang 524000, China)

Unmanned aerial underwater vehicles have a wide application prospects in the aeronautical and maritime search and rescue, underwater structure detection. Based on the comparison and analysis of the main aircrafts and the underwater vehicles, it is considered that the multi-rotor aircraft is the most suitable configuration for the water and air two environments. This paper summarizes the research and development status of the main multi-rotor unmanned aerial underwater vehicle at home and abroad, analyzes the characteristics of the MUAUV, and briefly discusses the key technologies for the development of the UAUV.

multi-rotor；fly；underwater；water-air transition

U674.941; V275

A

1672–7619(2017)03–0001–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.001

2016–09–09；

2016–11–07

国家自然科学基金资助项目(51541905)

刘安(1982–)，男，博士，讲师，研究方向为武器系统与运用工程。