变构型跨介质飞行器发展及关键技术分析

张朝阳，杨 峰，刘 凯，夏广庆,，康会峰，牛尧雨，鹿 畅,

(1. 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室, 大连 116024;2. 大连理工大学辽宁省空天飞行器前沿技术重点实验室, 大连 116024;3. 北华航天工业学院河北省跨气水介质飞行器重点实验室，廊坊 065000)

0 引言

飞行器是航空航天产业的核心产品，单介质飞行器/航行器技术已日趋成熟，如航天器(卫星等)和飞行器(飞机等)。跨介质飞行器是指穿越气/水两相界面，由空气进入水中(高速入水)或由水中进入空中(水下发射)飞行或航行的飞行器，如潜射导弹和反潜鱼雷等都属于典型跨介质飞行器。跨介质飞行器具有军民两用的广阔前景且越来越受重视。

变构型跨介质飞行器通过改变翼型使得该飞行器能够适用于水中及空中不同介质环境下的航行，在军事及民用领域均有广泛的用途。

第一次把该飞行器用于战场是二战前由苏联提出的LPL两栖飞机，后来经历RFS-1样机、DARPA样机等，技术日趋完善。近代以来，国内外十分重视无人机的研发，单介质无人机技术已日趋成熟。随着作战要求的多样化和指标提升，科研人员开展跨介质飞行器的相关研究。国外的研究主要集中在欧美发达国家，如英国的布里斯托大学、帝国理工学院、美国的MIT林肯实验室等。我国相关研究起步较晚，从公开的资料看[1-4]，航天科技集团和航天科工集团的研究院所主要开展跨介质飞行器工程研究。国防类院校主要专注单介质飞行器或航行器研究，实验设备以传统的循环水洞为主；而关于变构型跨介质飞行器主要集中在高校，如北京理工大学、吉林大学、南昌航空大学等。从我国海洋周边局势来看，海洋权益受到不同程度的威胁，钓鱼岛、南海等海洋争端日趋严峻，因此对跨介质飞行器的研究具有非常重要的战略意义。

变构型跨介质飞行器又称“会飞的潜艇”，是一种既能满足水下航行需要又可以满足空中飞行要求的两栖飞行器。同时具有空中快速部署、高速飞行、水下隐蔽性好的特点，能够完成信息交互、紧急突防、多维打击等重要任务。作为单独作战用武器时，该飞行器具备很好的隐蔽性，能有效完成突防任务；作为辅助性武器时，该飞行器可以与潜艇相互配合充当潜艇的“眼睛”，从而大大提高潜艇的作战能力[5-7]。

本文分析了变构型跨介质飞行器的军事和民用应用前景，综述了国内外跨介质飞行器的研究状况，总结了其应用的关键技术和难点所在，提出了发展方向，从而为跨介质飞行器的下一步发展提供参考。

1 跨介质飞行器的优势及用途

跨介质飞行器相比单一介质飞行器而言，具有空中飞行速度快、水下隐蔽效果好的特点，可广泛用于中远程海洋反潜和海上灾难救援、深海地质测绘和探矿找油、水下目标探测与识别、水中无人系统快速投放等，因此无论在军用还是民用领域都有非常广阔的应用前景。

1.1 军事领域

跨介质飞行器在军事上的用途主要集中体现在跨介质航行、信息交互、协同作战等方面。跨介质飞行器具有快速发射、快速响应的能力，能够在较短的时间内完成侦察、监视以及情报收集的任务，机身上安装了微型光电和红外传感器，操作人员可以利用这些传感器对目标实时监测[8-11]，集成了潜艇和飞机的特点，能够增强军队执行沿海作战时的作战能力。

1.2 民用领域

跨介质飞行器在民用领域也有很大的应用前景。对于普通的无人机，如果要完成海上搜救任务时需要多个无人机协同，但对于跨介质飞行器而言，由于该飞行器能够适应复杂多变的工作环境，可单独完成搜救任务。此外，该飞行器也可以单独完成台风、洪灾、海啸等灾害下的海面搜救、通信中继等任务；还可以进行海洋资源勘测、海洋平台的观察、水文气象测量等。飞行器在完成这些作业时具有其他飞行器无法比拟的优势，既可以快速飞到指定区域，又可以潜入水下完成特定任务。这样不仅增加了工作效率，更大大增加了任务的成功率[3，12]。

2 变构型跨介质飞行器发展现状

2.1 国外发展现状

2005年，美国洛克希德-马丁空间系统公司对仿生“鸬鹚”跨介质飞行器进行首轮实验，如图1所示。该飞行器由潜艇携带，在潜艇发射通道内机翼呈折叠状，最大能够承受46米水深的压强。执行特定作业时，飞行器由潜艇释放，采用火箭发动机推动其加速飞出水面，实现从水中到空中的过渡。出水后机翼展开，采用涡轮发动机推进，完成任务后降落到水面对其进行回收处理。由于成本过高的问题，该项目于2008年终止[13-15]。

图1 仿生“鸬鹚”跨介质飞行器Fig.1 Bionic ‘Cormorant’ trans-media aircraft

2007年，美国科尔摩根公司研发了一款从潜艇发射的跨介质飞行器“海哨兵”，如图2所示。“海哨兵”由潜艇的桅杆处发射，飞离水面后机翼展开，“海哨兵”尾部的螺旋桨为其提供动力。同样，“海哨兵”执行完任务后需要回收处理才能执行下一次任务[16-17]。

图2 “海哨兵”跨介质飞行器Fig.2 ‘Sea Sentinel’ trans-media aircraft

2011年，美国军方提出将“弹簧刀”无人机与潜艇相结合的设想。如图3所示，“弹簧刀”无人机使用发射器进行弹射起飞，出筒后机翼弹开，伺服电机带动螺旋桨为其提供动力。“弹簧刀”与潜艇结合，是将带有“弹簧刀”的运载器由潜艇的桅杆或者鱼雷发射筒抛出，运载器上浮到水面后“弹簧刀”与运载器分离。由于“弹簧刀”体积小，携带能源有限，因而续航能力较差[18]。

图3 “弹簧刀”及其发射流程Fig.3 ‘Switchblade’ and its launch process

2011年，美国麻省理工学院机械工程系研制出仿生“飞鱼”跨介质飞行器，如图4所示。通过高速相机捕捉“飞鱼”进出水的瞬间，并分析其运动状态和水动力特性。同时还对“飞鱼”进行了水下控制研究，鱼鳍的波动能改变运动状态。虽然“飞鱼”出水后的飞行短暂，但对跨介质飞行器的后续研究具有重大意义[19-21]。

图4 “飞鱼”设计图及其样机Fig.4 ‘Flying Fish’ design drawing and its prototype

2012年，美国麻省理工学院的林肯实验室研制了仿生“鲣鱼”跨介质飞行器，如图5所示。“鲣鱼”的关键结构是可折叠机翼，在空中飞行时机翼展开，当飞行器俯冲入水时机翼折叠。折叠后可以减小入水时的水阻，同时也可以避免入水的冲击力损坏机身结构。现阶段，该飞行器只能实现由空入水的单向跨介质。后续需要解决由水入空的动力问题和机翼展开的结构问题[22-23]。

图5 “鲣鱼”模型Fig.5 ‘Bonito’ model

2016年，英国帝国理工学院研制了一款仿乌贼的跨介质飞行器“水牛”,如图6所示。该飞行器模仿乌贼的喷射，携带少量的液体向下喷出实现起飞。其入水的方式为溅落式入水，机翼在入水前折叠，头部螺旋桨率先入水，入水后依旧是头部螺旋桨为其提供航行动力。“水牛”可用于特定区域的数据采集、海洋平台监测。该飞行器在向下喷射时采用高压气体，为跨介质飞行器的研究提供了新的思路[24-25]。

图6 “水牛”实物图Fig.6 ‘Buffalo’prototype

2018年，美国北卡罗莱纳州大学研制了固定翼跨介质飞行器“鹰鳐”，如图7所示。该飞行器长约1.4 m，机翼展开后约1.5 m，质量约5.7 kg，机身的材料主要由碳纤维和铝合金构成，在空中和水下由同一个伺服电机提供动力，具备自动控制和手动控制两种模式。可以从水面起飞进入空中也可在水中长时间航行，起飞的大致流程为：1)由螺旋桨提供动力到水面附近；2)向机身内部注水方便机身直立然后由螺旋桨推动驶出水面；3)飞到一定高度排出机身内部的储水，改为平飞状态；4)完成任务后降落回水面[26-27]。

图7 “鹰鳐”航行图Fig.7 ‘Eagle Ray’ sailing

图8 “鹰鳐”出水图Fig.8 ‘Eagle Ray’rising from water

2019年，英国帝国理工学院研制出新一代喷水式跨介质飞行器，如图9所示。与之前使用压缩气体喷出的结构不同，该飞行器采用化学试剂氧化钙与水反应产生的动能，并将其设计成三角形以提高其稳定性[28]。

图9 新一代跨介质飞行器Fig.9 A new generation of trans-media aircraft

2.2 国内发展现状

现阶段国内对跨介质飞行器的研究主要集中在样机原理验证、跨介质过渡两个方面[29]。

2009年，北京航空航天大学研制了一款仿“飞鱼”的跨介质飞行器，如图10所示。“飞鱼”的设计参照了真实飞鱼、飞鸟两栖的特性，同时也参考了飞机的构造，使其具备水面起飞和降落的能力。“飞鱼”通过透水舱和压载水舱可以完成水下航行作业。其机翼采用可变后掠九十度结构，可以减小水下航行的阻力，有利于机身的快速上浮和排水[30]。

图10 “飞鱼”运动状态Fig.10 ‘Flying fish’ movement state

2011年，南昌航空大学研制出了油电混合和纯电动的跨介质飞行器，如图11所示。两种样机的机翼采用可变后掠九十度结构以减小阻力。该飞行器水下、水面均采用尾部螺旋桨为其提供动力；在空中飞行时使用机身前部的螺旋桨提供动力。研究人员对其可行性进行了测试，发现其升空阻力过大、动力不足，因此没有完成水面起飞这项任务[31-33]。

图11 南昌航空大学跨介质飞行器Fig.11 Trans-media aircraft of Nanchang Hangkong University

2012年，西北工业大学在空气空力学和二元平面滑行的理论上建立了跨介质飞行器的理论模型，对双向跨介质和影响因素开展了更深入的研究[34]。

2015年，北京航空航天大学研制了仿“鲣鸟”的跨介质飞行器,如图12所示。首先，运用计算流体力学知识对鲣鸟入水进行了仿真分析；然后，根据仿真结果改进机身结构。在飞行器驶出水面时，气泵向头部的四个气球充气，使机身垂直并向上漂浮，尾部螺旋桨工作加速飞出水面,飞出水面后机翼展开[35]。

图12 “鲣鸟”跨介质飞行器Fig.12 ‘Boobies’ trans-media aircraft

2016年，空军工程大学提出将跨介质飞行器的机翼多次折叠，使其可以放入形似鱼雷发射筒的运载器中，通过鱼雷发射管道发射出来，然后由运载器携带无人机至水面弹射出来[5，36]。

2019年，上海交通大学研制出带有浮筒式的跨介质飞行器“哪吒”,如图13所示。“哪吒”具有垂直起飞降落、水空巡航、跨介质多次穿越的能力，同时也利用了海面效应，大幅减小了水面航行的阻力，可以有效避开高空雷达实现更高效的突防[37-38]。

图13 “哪吒”跨介质飞行器Fig.13 ‘Nezha’ trans-media aircraft

2019年，北京航空航天大学研制出一款能改变结构的跨介质飞行器“飞行乌贼”,如图14所示。在水下使用喷流推进器提供动力，但在空中不能持续飞行[39-40]。

图14 “飞行乌贼”的样机图Fig.14 The prototype of the ‘flying squid’

跨介质飞行器是近年新概念飞行器的研究热点，现阶段已有一些科研机构和高校着手相关工作，积累了宝贵经验，但与国外技术水平相比尚有差距[41]。

3 跨介质飞行器关键技术

跨介质飞行器兼具飞机的飞行能力和水下航行器的潜航能力，但是并不是二者之间的简单相加，而是多种技术的集成。空气和水的物理性质差别巨大，水的密度是空气的 800 多倍，黏性系数是空气的 59 倍，因此，跨介质与单介质飞行器在阻力、气动和水动外形、材料和结构强度、推进系统、航行或飞行控制、通信方式等方面存在巨大差别。关于变构型跨介质飞行器关键技术研究主要体现在跨介质过渡方案设计问题、跨介质飞行器构型设计、跨介质飞行器动力技术、跨介质飞行器入水后的机体水密技术、跨介质飞行器跨介质过程中的姿态稳定控制等问题[27，42]。

3.1 跨介质过渡方案设计问题

根据跨介质飞行器出入水跨越方式的不同，可将飞行分为渐变式跨越和瞬间式跨越两种类型。渐变式跨越时要在水面上滑行一段时间，然后再起飞或者潜入水中；瞬间式跨越类似导弹出水的瞬间是直接跨越而没有缓冲的过程。两种跨越介质的方式代表了不同的设计理念和作业要求。渐变式跨越时机身受到的冲击小，飞行器变体时间充裕，跨越过程中对控制的要求较低，但是对飞行器的外形具有较高要求，要满足机身结构在水面滑行。因此，此类跨越对机身的形状以及在水中受到的阻力都要考虑在内。瞬间式跨越时机身受到的冲击较大，机身变体的时间较短，难以把控机身变体的时机，该种跨越介质的方式冲击力大，难以对其进行控制，且对机身的材料强度具有较高要求[43-47]。

3.2 跨介质飞行器变构型设计问题

跨介质飞行器需要适应水、空两种介质环境，满足水下航行、水面滑行、空中飞行三种运动状态，从水到空和从空到水两种跨越状态，因此该飞行器必须满足多种航行状态的构型要求、变体的技术要求。为了适应水和空气两种不同介质的减阻需要，大部分跨介质飞行器采用了变体结构,如图15所示。变体的基本设计思路是在空气中满足飞行条件，在水中航行时需要进行变体以减小在水中受到的阻力，并满足耐压要求和跨介质时的结构强度要求。现阶段跨介质飞行器上的变体结构主要是仿生扑翼、后掠翼和折叠翼。变体技术虽然能够很好地解决跨介质过渡以及水空航行状态的调整问题，但是变体技术增加了结构的复杂性，对控制系统有更高的要求，同时也增加了操作的难度[48-50]。

3.3 变构型跨介质动力方案设计问题

由于空气和水的氧气含量以及所要求的工作条件不同，如何设计和选择跨介质飞行器的动力系统，是飞行器在这两种介质中获得充足动力的关键。目前，传统的跨介质飞行器采用的能源一般是航空燃料类、锂电池、环保型燃料。由于水下氧气量少不能满足燃料燃烧的需要，所以潜水无人机均是采用电能作为能量源。目前跨介质飞行器基本采用电动式，但是由于变构型跨介质飞行器机身大小的限制使电池偏小，导致跨介质飞行器的续航能力不能满足长时间飞行[51-52]。

此外，国内相关单位也正在开展组合动力发动机、水冲压发动机技术等研究，为变构型跨介质飞行器提供动力技术支持。

3.4 跨介质飞行器入水后的机体水密问题

根据跨介质飞行器入水方式的不同，可以把飞行器入水分为间接入水和直接入水。先在水面上滑行然后进入水中的称为间接入水，而没有滑行阶段直接入水的称为直接入水。其中，间接式入水对飞行器机身的冲击较小，变体时间充裕，可以更好地把握变体时机，但为了满足滑行减速对外形结构要求较高。直接式入水对机身的冲击较大，要在很短的时间内完成变体和动力转换，该方式跨越介质简单、速度快因此适合高速飞行器。由空入水时，空气螺旋桨停止工作，可折叠的螺旋桨垂下紧贴机身，排气装置开始工作，然后关闭进排气通道，电机带动水桨开始工作，为无人机水下航行提供动力。

跨介质飞行器对水密结构影响较大，水密结构设计考虑密封结构的合理布局、工艺分离等问题。

3.5 跨介质飞行器跨介质过程中的姿态稳定控制

跨介质飞行器跨介质飞行时工作环境复杂多变且具有较强耦合的运动过程，为了保证机身有充足的稳定性，同时满足变体结构的优势，通过跨介质飞行器的气动/水动布局的优化设计，保证跨介质飞行器在两种介质中的纵向和横向的稳定性。通过强扰动下的非线性控制技术、跨介质一体化控制技术、变形协调控制技术的研究提升跨介质飞行器姿态控制的稳定性。

4 跨介质飞行器发展展望

目前，针对跨介质飞行器的研究主要从设计、仿真和原理样机的研制等方面入手，针对本文提出的技术难题可从以下方面开展攻关：

1)聚焦跨介质过渡机理研究：水空过渡过程流场变化十分复杂，需要进行大量的仿真和实验，对实验过程中工作机理进行研究分析，为其结构的优化控制和完善提供充足的理论依据。

2)开展结构优化设计：跨介质飞行器第一代样机主要起到验证作用，存在结构上的问题，需要对其进行结构优化，在保证强度的情况下尽量优化机身的结构、减小机身的质量及水下受到的阻力。

3)加强运动控制研究：在空中多次进行实验改进飞行控制参数，在水下优化控制参数获得较好的航行性能，在跨介质时制定好控制策略以便于在复杂的情况下飞行器能保持平稳运行。

4)推动新型能源方案试验：开展氢质子交换膜燃料电池方案研究，该方案可以把燃料的化学能有效转变为电能，具有质量小、能量大的优点且密封性好，适合在水下工作。

5)拓展新的任务模式：跨介质飞行器可以与潜艇、反潜艇等协同使用，更大程度地发挥跨介质飞行器的价值。跨介质飞行器可以配合潜艇进行作战，能为潜艇侦察敌情、勘测地形，也可以由潜艇远程遥控对目标进行精准打击，可以充当潜艇的“拳头”和“眼睛”。同时，无人机群还能进行信息交互，多维度的侦察敌情，大大增强了潜艇对战场的把控、减小了被发现的风险、增强了潜艇的总体作战能力。

随着技术的发展，跨介质飞行器自主作战能力越来越强，可以作为突破敌人防线的利器，还可以作为侦察和通信中继，同时可以完成扫雷、反潜等作战任务，尤其是机群的建立，使其具备更大的杀伤力，让敌人防不胜防，势必成为海军作战的中坚力量。