基于折叠机翼布局的跨介质无人航行器概念设计

2022-07-19王晓璐祝顺顺周冲邹秉辰

无人机 2022年6期

王晓璐，祝顺顺，周冲，邹秉辰

郑州航空工业管理学院

为兼顾无人装备在空中、水面、水下跨介质中的运用，本文提出基于折叠机翼布局的跨介质无人航行器概念设计方案。该设计方案结合了现有无人机和潜艇的外形特征，采用折叠机翼适应不同运行模式的需求，便于在不同介质间进行布局转换，综合了水下航行器隐蔽性、水面航行器机动性以及空中飞行器飞行速度快的优势。

当前，海洋已经成为战斗较量的场所，世界众多国家纷纷提升海洋在国家发展和国家安全战略中的地位，无人装备在我国海洋安全防御任务中将发挥重要作用。

无人系统由人员操控或者按预编程序自主运行，携带任务载荷遂行任务，主要包括无人机（UAS）、无人地面车（UGV）、无人水下潜航器（UUV）、无人水面船艇（USV）等装备。近年来，境外某些国家利用自身的科技优势，在我国沿海地区布设无人潜航器，对我国进行监视侦察并收集情报，特别是搜集目标海域的水温、盐度、海流及水下声场等与军事活动密切相关的海洋信息。无人航行器研制对我国海空安全具有重要的现实意义。

2008年，美国国防预研局设计了一种用于特种运输的航行器，但由于该装备空气动力学和水动力学技术有显著差异，这种两栖装备仍存在异议。2010—2014年，英国布里斯托大学研究了一种用于航行器的多模式仿生扑翼，该扑翼驱动模式在水空两栖航行器水下推进方面具有潜在的应用价值。

为解决跨介质航行器在不同介质下的外形兼容性问题，本文提出一种基于折叠机翼的新型布局设计方案。该方案采用变体技术来实现水下和空中的布局转换，以机翼折叠机构实现机翼折叠与展开。

无人航行器方案简介

跨介质无人航行器概念图及运行剖面示意图详见图1。其长度2m，翼展3.6m，高度0.6m，最大航程300km，突出特点是使用了折叠机翼，结合了无人机和无人潜航器的优点。考虑空气动力和水动力对无人航线器外形的影响，本文研究一种能同时在空气介质、水介质中运行的机身。针对不同介质，本文通过计算流体力学分析，对机身外形进行修正，找出气动和水动的平衡点，提高飞行模式下的升阻比，同时减小水下阻力对运行的影响。

图1 跨介质无人航行器概念图及运行剖面示意图。

无人航行器设计

折叠机翼机构设计

按照机翼的折叠方向，基于折叠机翼布局的无人机可分为水平折叠型和纵向折叠型两种。但现有无人机多在空中飞行，同时考虑水动力和空气动力影响因素的方案较少。本文提出一种新型折叠机翼机构设计，图2展示了机翼的展开过程。该无人航行器可在不同运行模式下实现机翼状态切换，减小水下航行的展向尺寸，便于水下高速航行。

图2 机翼展开过程。

本文利用ANSYS FLUENT软件完成气动性能的CFD分析计算。网格由ANSYS Workbench Mesh生成，同时使用二阶迎风差分格式离散控制方程计算无人航行器绕流流场。针对低速不可压来流，本文使用压力和速度耦合的SIMPLE算法，采用Spalart-Allmaras湍流模型。全机计算网格采用非结构网格对整机的空气动力学和水动力学特性进行数值仿真分析。以水为介质且航行速度为2m/s时，第一层网格厚度是0.3mm，网格总数1570万；以空气为介质且航行速度为25m/s时，第一层网格厚度0.08mm，网格总数1382万。图3是气动与水动修形后的无人航行器在不同介质下的压力云图及速度流线图。

图3 水介质和空气介质下的压力云图及速度流线图。

自适应迎角设计

无人航行器可使用空速测量单元、俯仰测量单元、加速度测量单元进行姿态测算，通过控制倾转机构和动力源输出，对不同空速下、不同飞行阶段的自适应迎角进行调节，协调配合飞行轨迹角、姿态角和机翼的迎角；通过自动调控舵机倾转系统，实现不同飞行状态下的不同迎角飞行。无人航行器具有自适应迎角调控功能，在起飞爬升阶段，机翼迎角增大，提高机翼升力，减小水面滑行距离，实现短距起飞。