水空跨介质航行器军事前沿技术进展.docx

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1、水空跨介质航行器军事前沿技术进展目录1 .前言22 .水空跨介质航行器AqUaUAV概览22.1.鸠据22.2.海鸥32.3.飞鱼32.4.崖海鸦42.5.鳏鸟52.6.飞乌贼72.7.水栖昆虫83.关键技术83.1.变结构机翼设计83.1.1.概述83.1.2.变后掠翼93.1.3,软体结构103.1.4.变结构机翼总结103.2.能源与推进系统103.2.1.射流推进103.2.2.电机与螺旋桨133.2.3.混动推进系统143.2.4.能源与推进系统总结144.分析方法154.1.理论分析154.1.1.预测并再现跨介质过程154.1.2.机翼的升力、浮力、压力分布问题164.1.3.推

2、进力仿真164.14.运动性能仿真164. 2.实验验证174. 2.1.运动学观测175. 2.2.升力、阻力等观测176. 2.3.推进力观测187. 挑战与展望197.1. 水空跨介质航行器的结构折衷195. 2.跨介质过程折衷195. 3.生物仿生度196. 结论201 .前言随着仿生技术的不断发展，人类对飞鱼、崖海鸦、鲤鸟、飞乌贼等两栖生物的数据观测、仿真建模有了突破性的进展，水空跨介质航行器领域也随之得到飞速发展，但仍然存在一些关键技术难点。按照被仿生对象的种类，对水空跨介质航行器样机的研究进程，以及近年来在机翼结构、水空两栖推进方式等方面取得的进展进行归纳，并从计算机仿真与实验测

3、试的角度，剖析了在对运动学和动力学的研究中所用到的研究方法。结合该领域发展现状，总结了一些关键的技术挑战，并提出跨介质航行器未来的展望。动物的一些特殊身体结构和功能可为人类的科学研究提供大量的灵感。如鸟类翅膀适合于空域飞行，陆生动物腿足结构适合陆地奔跑、跳跃、爬行，水生动物的尾鳍或喷射推进结构可以高效游动。而两栖动物的身体结构和习性能适应在多种环境中运动，也就是具备跨介质运动能力。因此，水空两栖生物可为人类跨介质航行器的研发提供大量的建设性启示，包括在推进系统、结构设计及性能提升等方面，极大地拓展了现有空中无人系统的作业环境和应用范围。近年来各国研究人员纷纷将目光转移到水空两栖多模式无人飞行器

4、的研究上，包括水空多模式运动机制研究及仿生样机的研制。本文按照仿生水空两栖动物进行分类，回顾水空跨介质航行器(AqUaUAV)的发展历程，总结设计过程中的关键技术、研究方法及目前面临的挑战，展望AqUaUAV未来的发展方向。2 .水空跨介质航行器AqUaUAV概览通过模仿两栖动物的结构，仿生AqUaUAV的运动能力可媲美甚至超过两栖动物。这些仿生生物包括鸿鹤、飞鱼、鲤鸟、飞就鱼和一些水生昆虫，涉及鸟类、鱼类、门头足类动物和昆虫。2.1.卢乌鹦仿生AquaUAV的研究出现在2005年，洛克希德马丁公司(1MC)开发了一种潜艇发射的带有可变形翅膀的无人机，如图1(a)所示，称为“鸿鹤”。“鸿鹏”着

5、陆时会模仿鸿鹦快速飞溅入水，但它没有在水下自主移动的能力。此外，研究人员正在研究鸿鹦的运动学，即其拍打起飞的过程，然而尚未达到样机阶段。图无人机及GU1124(b)、GU1136(c)通过分析认为鸿鹦的仿生样机欠缺，至少存在2个原因：一方面，鸿鹦是从水的表面潜入水中，相比于与鸿鹤同属鹑形目的鲤鸟，研究后者从空中潜入水中的方式更有意义；另一方面，鸭鹤扑翼起飞的过程复杂，对其的研究还处于理论和仿真阶段。2.2.海鸥2007、2008年，英国WarriOr(Aero-Marine)1td.以海鸥为蓝本，开发了2款水上飞机GU1124和GU1136,如图1(b)、(C)所示。GU11系列无人机可在海面

6、上滑行、起飞和降落，可在空中飞行，但不能潜水，主要用于高效的海上监视。分析认为，对海鸥的仿生研究核心是从水面潜入水中的过程，与鸿鹤类似，由于它在下潜高度和速度上都要比鳏鸟的入水方式有所欠缺，所以后续的仿生样机减少。2.3.飞鱼2007年，密歇根大学开发了“飞鱼”水上无人机，用于持续的海洋监视，如图2(a)所示。该无人机具有特殊的起降结构和控制方法。一般情况下，该无人机在海面漂流执行监测任务，当其被风浪吹出监测区时，会自主从海面起飞回监测区继续监视。20072016年，该团队一直在研究气动构型优化和气动性能、航电系统、飞行管理系统、自动导航与控制系统、路径规划、太阳能收集系统等，其成果对后续水空

7、跨介质航行器的发展具有重要的指导和参考意义。图2仿生飞鱼样机2009年，北京航空航天大学(BUAA)开发了“飞鱼”样机。这款飞行器不仅可以在水面上起降，还通过模拟水鸟密度变化的压力罐、压载水舱等设计实现了漂浮和潜水，如图2(b)所示。它是第1款能够进行水下航行、水/空、空/水过渡的水陆两栖无人机，但样机性能仍然较差，起飞速度较慢。2011年，麻省理工学院(MIT)提出的“飞鱼”样机如图2(c)所示。团队通过水下发射实验测量了水下阻力和出水时刻的力，发现功率密度与速度的平方成正比，并提出了4种鱼鳍波动推进的理论设计，发现推力与鱼鳍后缘幅度有关，最后，提出了基于中央模式发生器(CPG)的多执行器运

8、动控制算法。该研究为未来研制完整的两栖飞鱼机器人奠定了重要的基础。2013年，斯坦福大学仿生学与灵巧操作实验室(BDM1)通过模仿飞鱼从水下飞出并在空中滑翔的过程，提出了一种跳跃滑翔无人机，如图2(d)所示。该样机依靠碳纤维弹簧弹起，一对翼展70Cm的机翼可使其滑翔5m。这种弹射加滑翔的运动模式拓展了跳跃机器人的水平运动范围。虽然其不是两栖无人机，但碳纤维弹簧具有很高的能量密度，对于AqUaUAV的水/空过渡具有很大的启/JsO2023年，济州国立大学(JE川NU)的两栖无人机如图2(e)所示。以理论计算获得翼展、弦长、机身直径、水平尾翼和垂直尾翼等的设计参数并对样机建模，通过CFD(COmP

9、UtatiOna1fIUiddynamics)仿真得到无人机在空气和水中的压力和流场分布。然后通过FSI(f1uidstructureinteraCtiOn)模型分析了5种常用的轻质材料。结果表明，与其他轻质材料相比，环氧玻璃纤维复合材料具有轻质、高刚度、低等效应力等优点，表明该材料在AqUaUAV的应用方面具有良好的潜力。飞鱼的身体非常适合在水下潜水(图2(b)、(e),不论在水面上(图2(a)、(b)还是在水下起飞(图2(c)、(d),都具有良好的运动特性，随后可以展开胸鳍在空中滑翔(图2(c)O这些运动特性吸引了大量研究人员进行仿生研究，不断尝试构建各种形式的样机。2.4.崖海鸦2010

10、2014年，布里斯托大学的1OCk等仿照崖海鸦设计了一种跨介质无人机机翼，由柔性薄膜制成，由电机驱动拍打，通过四连杆结构进行伸缩，如图3(a)所示。该团队在不同的扑动方向、频率、振幅等条件下测量了机械推进效率和推力系数，结果证明了使用收缩扑翼进行水下推进的可行性，这为扑翼式跨介质飞行器的发展提供了宝贵的理论支持。麻省理工学院的IZrae1eVitZ等受到海雀和海鸥等水鸟利用翅膀游泳和飞行的启发，在2014年提出了一种基于直线运动的扑翼式AquaUAVo该运动模式可以像海龟游泳一样产生无升力的推力，也可以像海鸟一样在低速时产生巨大的升力，如图3(b)所示。扑翼式直线运动是一种结合了龟类和鸟类的颤

11、振特性的新颖高效的方式，非常适合在AquaUAV中应用。2015年，美国海军研究实验室(NR1)设计了一种混合型水上无人机，具有2对尾翼，机身前部为主翼，机身顶端为小翼。研究表明，通过选择适当的主翼参数可以提高飞行稳定性，如图3(C)所示。并且当4个翅片都拍动时，飞行器能够以超过1节的速度推进。结合流动求解器和六自由度模型，还研究了无人机降落在水面时的轨迹和受力，证明了无人机的主翼在与水面碰撞时不会损坏。2018年，北卡罗来纳州立大学(NCSU)的Stewart等设计了一种模仿崖海鸦的固定翼AquaUAV,如图3(d)所示。机翼上设置一个通风口和一个出口，使无人机可装载水下潜、排水起飞。对于推

12、进方式，使用2对电机和螺旋桨分别作为空中和水下推进系统。水空过渡阶段采用垂直起降方式实现快速过渡。从空中到水下时，主要依靠重力，而从水下到空中时，会同时运用空、水两套推进系统共同作用进行起飞，以满足推力要求。最后结合CFD仿真和实验验证了样机的升力和推力满足跨介质过程的要求。2.5.鲤鸟2012年，麻省理工学院林肯实验室的Fabian等首次以鲤鸟为灵感，设计了一种仿生鲤鸟无人机，如图4(a)所示。该样机模仿鲤鸟俯冲入水方式，设计可变后掠翼减少入水时阻力，可以7ms的速度落入水中，旦机翼可在025s内快速折叠。虽然这一初步研究缺少对鲤鸟的形态和生理特征的仿生度，但是它为仿生AquaUAV的灵感提

13、供了一个新的选择。20122014年，北京航空航天大学对鲤鸟俯冲入水进行了大量研究，如图4(b)所示。2012年，利用CFD研究了鳏鸟以不同速度和倾角入水时的冲击加速度，证明了鳏鸟的身体结构可以有效地降低冲击力。而后，该团队建立了一个仿生鲤鸟的3D模型，并通过CFD模拟技术得到了机身纵轴方向的冲击加速度以及机翼后掠角在入水时的变化。随后，基于仿真结果研制了仿生样机，真实地获得了在入水时的机身纵轴方向的冲击加速度和机翼根部径向载荷。以上结果对于仿照鲤鸟俯冲入水的样机设计提供了数据支撑。2016年，伦敦帝国理工学院(IC1OndOn)的SiddaI1等进一步研究了喷水推进器，并设计了潜水式高功率起

14、飞两栖无人机AqUaMAV,该无人机装有液态CO2气罐并使用SMA(形状记忆合金)阀门来控制CO?的释放。其模仿乌贼的喷水推进，利用高压CO?产生的高压水射流成功实现了高速水空过渡，且机翼为90。可变，如图4(c)所示。AqUaMAV可以减少发射过程中的水阻力，其自身重量为100g,滑翔速度超过I1m/s。该无人机的头部安装螺旋桨，与CO?推进器形成的混合推进系统推进了该类航行器的水空过渡速度与效率。2019年，皇家墨尔本理工学院(RM1T)的GUo等设计的仿生鲤鸟样机如图4(d)所示。样机设计为65。后掠式机翼，并设计混动推进系统，水下发射使用压缩气体推进器，控制飞行使用可折叠的外部螺旋桨，

15、水下航行则使用固定的内部螺旋桨。对推进系统得仿真和实验分析，验证其在水中和空气中可产生足够高效的推力。2023年，新墨西哥州立大学(NMSU)的PeKa等设计的仿生鲤鸟样机如图4(e)所示，研究了样机的机翼性能、浮力控制和推进机构等。该团队充分利用鲤鸟机翼形状的优势，采用升力线理论(11T),涡格法(V1M)、3D面板法等三维分析方法对鲤鸟的翼形进行分析。此外，由于鲤鸟无人机体积小、浮力大，该团队还设计了一个压载水舱。如果系统需要更大的浮力，可以装CO?；反之，如果需要的浮力较小，则可以装水。该罐可与压缩C02一起使用，为水下发射提供高压推力。必要时可使用调节器控制C02注入以维持C02储存量

16、，这种对C02储存能力的保护有助于实现多次水下发射。鲤鸟从空中俯冲入水的方式十分高效，通过折叠翅膀将身体变成纺锤形，然后高速潜入水中。以上样机都是在此仿生特征上研究的。但是，鲤鸟的水空过渡能力还不够优秀。IC1ondon和RM1T的样机为了通过巨大的爆发力实现水下起飞，采用了喷水推进器的设计，这正是飞乌贼的特点。2. 6.飞乌贼2015年，伦敦帝国理工学院的SiddaH等设计了一种仿乌贼的射流推进系统用于水空过渡，如图5(a)所示。该团队使用高功率密度液态CO2罐来产生射流并推动无人机快速起飞。(c)北京航空航天大学的仿飞乌贼航行器(d)RoboBeeI和RobOBeeII图5飞乌贼样机201