海空两栖航行器

技术领域

本发明涉及能够在水下和空中驱动的航行器领域，特别是一种海空两栖航行器。

背景技术

面对天空和海洋这两个地球上最大的空间，实现航行器在“高空”和“深海”之间“穿梭”，这将极大提升人类跨域活动能力，带动相关领域的创新发展。潜空跨介质航行器综合了水下航行器的隐蔽性以及空中飞行器的快速性优势，并可在同一航行器上完成水下和空中的作业任务，将其搭载于海洋装备或作为空、天、海体系中的一员与海洋装备配合，将极大提高海洋装备系统的综合作业能力。

国内外对海空两栖航行器的研究主要还处在总体概念设计、关键技术攻关和样机验证阶段，尚未有国家成功研制出真正意义上的跨介质两栖航行器。水空两栖航行器的工作状态一般包括四个过程：空中航行，入水，水下航行及出水。目前针对水空两栖航行器入水过程的控制策略大多采用降低飞行高度贴近水面飞行，然后通过改变浮力等各种方法缓慢潜入水下，因此航行器从空中完全进入水下的时间相对较长；此外，由于出水过程极为耗能，要想达到长航时要求，跨介质航行器一般需携带较多电池，这又增加了整体重量。另外，由于水和空气物性参数相差巨大，在水下和空中采用同一套推进装置，很难在水下和空中都拥有良好的航行性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出了一种海空两栖航行器，其实现了海空两栖界面的切换，高效快速，不仅可以实现空中长距离、高速飞行，而且还可实现水下长时间、低功耗的潜航。

本发明的技术方案是：一种海空两栖航行器，包括机身，机身为防水密封舱体，机身的左右两侧对称固定有机翼，机身后部的顶部表面设有尾翼，尾翼的两侧对称固定有尾翼舵，其中，所述两机翼的底部表面分别设有涡轮风扇发动机和弹射出水机构，机身的密封舱体内设有重心调节机构，机身的尾部设有可折叠式水下螺旋桨机构。

本发明中，所述重心调节机构包括无刷电机、丝杆导轨、可移动锂电池，可移动锂电池套在丝杆导轨上，丝杆导轨的轴向沿机身的前后方向设置，可移动锂电池上设有内螺纹孔，其内螺纹孔与丝杆导轨的外螺纹相互咬合。

所述可折叠式水下螺旋桨机构包括电机、桨叶、螺旋桨毂、传动杆，传动杆的前端与电机的输出端通过联轴器连接，传动杆的后端固定有螺纹杆，螺纹杆的尾端设有推动盘，推动盘沿螺纹杆的轴向移动，螺旋桨毂的前端与传动杆固定连接，螺旋桨毂的尾端表面沿其圆周方向间隔设置数个桨叶，每个桨叶均转动设置在转轴上，推动盘设置在数个桨叶中间，且推动盘的外表面沿其圆周方向固定有数个推动凸起，推动凸起与桨叶之间呈对应设置，推动凸起的外径大于桨叶的内壁与轴心之间的距离，且与推动凸起接触的桨叶的外表面呈弧线形。

所述弹射出水机构包括外壳、无刷电机Ⅱ、气囊推板、丝杠、气囊和气体发生器，无刷电机Ⅱ、气囊推板、丝杠、气囊和气体发生器均设置在外壳内，该机构通过外壳与机翼的底部表面连接，无刷电机Ⅱ的输出轴通过锥齿轮组与丝杠传动连接，沿丝杠的轴向间隔设置数个气囊，两相邻气囊的相对面上分别固定有垫片，两垫片之间通过分隔弹簧固定连接，每个气囊分别对应的与气体发生器连接，气体发生器分别通过控制线束与弹射控制器连接，丝杠的前端与气囊推板传动连接，气囊推板位于气囊的前方。

所述弹射出水机构包括外壳、无刷电机Ⅱ、气囊推板、丝杠、气囊和气体发生器，无刷电机Ⅱ、气囊推板、丝杠、气囊和气体发生器均设置在外壳内，该机构通过外壳与机翼的底部表面连接，

所述无刷电机Ⅱ的输出轴端固定有锥齿轮Ⅰ，对应在丝杠端部固定有锥齿轮Ⅱ，锥齿轮Ⅰ与锥齿轮Ⅱ之间相互啮合，通过锥齿轮组将无刷电机Ⅱ的动力传递给丝杠。

所述气囊推板的端部通过螺纹套与丝杠连接，螺纹套套在丝杠的外部，且螺纹套的内表面与丝杠的外螺纹之间呈螺纹咬合，螺纹套与气囊推板固定连接。

该航行器还包括控制机构，控制机构分别与重心调节机构、可折叠式水下螺旋桨机构、弹射出水机构、蜗轮风扇发动机、环境监测机构和视频监控机构连接。

所述机身前端的底部表面设有环境监测机构，环境监测机构包括温度传感器、盐度传感器和压力传感器，用于实现对周围环境参数的实时监测。机身内的密封舱体的前端设有视频监测机构，视频监测机构包括摄像机，用于实时摄像。

本发明的有益效果是：

(1)通过重心调节机构，可以改变航行器的中心位置，调节机身的重心位置和角度，实现航行器的姿态调节；

(2)涡轮风扇发动机为海空两栖传航行器提供了空中飞行的动力，可折叠式水下螺旋桨机构为海空两栖航行器提供了在水中潜航的动力，因此该航行器不仅可以实现空中长距离、高速飞行，而且还可实现水下长时间、低功耗的潜航；

(3)通过弹射出水机构内的气囊膨胀产生的反冲力可以将航行器弹射出水，实现了航行器在空中和水中的多次跨越。

附图说明

图1是本发明的主视结构示意图；

图2是本发明的剖视结构示意图；

图3是可折叠式水下螺旋机构呈展开状态的结构示意图；

图4是可折叠式水下螺旋机构呈折叠状态的结构示意图；

图5是推动盘和桨叶的结构示意图；

图6是弹射出水机构的结构示意图。

图中：1机身；2机翼；3尾翼；4尾翼舵；5可折叠式水下螺旋桨机构；6弹射出水机构；7涡轮风扇发动机；8环境监测机构；9控制机构；10无刷电机Ⅰ；11锂电池；12丝杆导轨；13电机；14桨叶；15推动盘；16螺旋桨毂；17无刷电机Ⅱ；18气囊推板；19丝杠；20气囊；21垫片；22分隔弹簧；23气体发生器；24控制线束；25弹射控制器；26视频监控机构；27传动杆；28推动凸起。

具体实施方式

为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

如图1和图2所示，本发明所述的海空两栖航行器包括机身1，机身1为防水密封舱体，机身1的左右两侧对称固定有机翼2，机身1后部的顶部表面设有尾翼3，尾翼3的两侧对称固定有尾翼舵4。机身1的外壳形状采用翠鸟头部与龙虱身体相结合的仿生设计，具有良好的入水性能，该形状的机身外壳能够顺应周边环境，以不同的俯冲角度快速跨越气液界面，在俯冲入水过程中保持入水稳定性，极大的降低入水时的阻力和冲击力，并且在水下受到的流体阻力较小。两机翼2的底部表面分别设有涡轮风扇发动机7和弹射出水机构6。机身1的尾部设有可折叠式水下螺旋桨机构5。涡轮风扇发动机7为海空两栖传航行器提供了空中飞行的动力，可折叠式水下螺旋桨机构5为海空两栖航行器提供了在水中潜航的动力。因此该航行器不仅可以实现空中长距离、高速飞行，而且还可实现水下长时间、低功耗的潜航。涡轮风扇发动机7、可折叠式水下螺旋桨机构5、结合机身两侧的流体外形的机翼2，保证机翼上下的流速差，保证了机体在空中能够获得足够的升力，同时也保证了机体在水下做滑翔运动时，机体能够获得较大的动力。机身1的密封舱体内设有重心调节机构，通过重心调节机构，可以改变航行器的中心位置，实现航行器在水下的姿态调节。机身1前端的底部表面设有环境监测机构8，环境监测机构8包括温度传感器、盐度传感器和深度传感器，通过环境监测机构实现了对周围海域环境参数的实时监测。，机身1内的密封舱体的前端设有视频监测机构26，视频监测机构26包括摄像机，通过视频监测机构实现了对周围环境的实时摄像。通过环境监测机构8和视频监测机构26实现了该航行器对外界环境的监测功能。

如图2所示，重心调节机构包括无刷电机10、丝杆导轨12、可移动锂电池11，可移动锂电池11套在丝杆导轨12上，丝杆导轨12的轴向沿机身1的前后方向设置，可移动锂电池11上设有内螺纹孔，其内螺纹孔与丝杆导轨12的外螺纹相互咬合。无刷电机10动作过程中，带动丝杆导轨12转动，通过丝杆导轨12和可移动锂电池11之间的螺纹咬合，可移动锂电池11沿丝杆导轨12的轴向往复移动，从而带动可移动锂电池11在机身内部前后移动。可移动锂电池11移动过程中，改变了航行器的重心位置，实现航行器在水下的姿态调节。出水时通过调整可移动锂电池11的位置，调节机身1的重心位置和角度，使机身1保持最大的向上俯仰角度，为航行器的弹射出水过程提前进行姿态的调整。

如图3至图5所示，可折叠式水下螺旋桨机构包括电机13、桨叶14、螺旋桨毂16、传动杆27，传动杆27的前端与电机13的输出端通过联轴器连接，传动杆27的后端固定有螺纹杆，螺纹杆的尾端设有推动盘15，螺纹杆转动过程中，推动盘15沿螺纹杆的轴向移动但是不随螺纹杆转动。螺旋桨毂16的前端与传动杆27固定连接，螺旋桨毂16的尾端表面沿其圆周方向间隔设置数个桨叶14，每个桨叶14均转动设置在转轴上。推动盘15设置在数个桨叶14中间，且推动盘15的外表面沿其圆周方向固定有数个推动凸起28，推动凸起28与桨叶14之间呈对应设置，推动凸起28的外径大于桨叶14的内壁与轴心之间的距离，且与推动凸起28接触的桨叶14的外表面呈弧线形，保证了推动凸起28与桨叶14接触过程中，推动凸起28能够顺利地推动桨叶14转动。

当该航行器入水后，电机13带动传动杆27正转，此时传动杆27后端的螺纹杆转动，此时螺纹杆上的推动盘15沿螺纹杆的轴向向桨叶方向移动，推动盘15上的推动凸起28对桨叶14产生向外的推力，桨叶14沿其中部的转动轴转动并向外展开，此时航行器尾部的桨叶14呈展开状态，如图3所示。与此同时，传动杆27带动螺旋桨毂16和桨叶14转动，呈展开状态的桨叶14为整个航行器提供动力源，使航行器实现了水下动作。当航行器在空中飞行时，电机13反转，带动传动杆27反转一定的角度，此时传动杆27后端的螺纹杆转动并带动推动盘15沿螺纹的轴向向电机13方向移动，推动盘15上的推动凸起28对桨叶14产生向内的拉力，在推动凸起与桨叶的接触过程中，桨叶14沿其中部的转动轴转动并向内收拢，此时航行器尾部的桨叶14呈折叠状态，最大程度减小了航行器在空中的飞行阻力，如图4所示。

如图6所示，弹射出水机构6包括外壳、无刷电机Ⅱ17、气囊推板18、丝杠19、气囊20和气体发生器23，无刷电机Ⅱ17、气囊推板18、丝杠19、气囊20和气体发生器23均设置在外壳内，该机构通过外壳与机翼2的底部表面连接。无刷电机Ⅱ17的输出轴通过锥齿轮组与丝杠19传动连接：无刷电机Ⅱ17的输出轴端固定有锥齿轮Ⅰ，对应在丝杠19端部固定有锥齿轮Ⅱ，锥齿轮Ⅰ与锥齿轮Ⅱ之间相互啮合，通过锥齿轮组将无刷电机Ⅱ17的动力传递给丝杠19，从而实现丝杠19的转动。沿丝杠19的轴向间隔设置数个气囊20，相邻两气囊20之间通过垫片21和分隔弹簧22连接，两相邻气囊的相对面上分别固定有垫片21，两垫片21之间通过分隔弹簧22固定连接。每个气囊分别对应的与气体发生器23连接，气体发生器23分别通过控制线束24与弹射控制器25连接。丝杠19的前端连接有气囊推板18，气囊推板18的端部通过螺纹套与丝杠19连接，螺纹套套在丝杠19的外部，且螺纹套的内表面与丝杠19的外螺纹之间呈螺纹咬合，螺纹套与气囊推板18固定连接。气囊推板18位于气囊20的前方。当航行器接受到出水命令时，弹射控制器25将电信号通过控制线束24传递给气体发生器23，气体发生器23内的电点火具引燃药剂，产生大量的气体，使气囊膨胀，左右两侧机翼2下方的气囊同时动作，在两侧气囊的同时作用下，利用气囊膨胀过程中产生的反冲力使航行器弹射出水，弹射过程中，垫片21和分隔弹簧22起到了缓冲作用，尽量减小对弹射控制器等关键零部件的冲击。

当一次出水过程完成之后，弹射控制器25控制无刷电机Ⅱ17动作，无刷电机Ⅱ17带动丝杠19转动，通过丝杠19与螺纹套之间的螺纹咬合，带动气囊推板10将气囊20推移复位，为下一次气囊膨胀及航行器的弹射出水做准备。通过在每个弹射出水机构6内设置多个气囊，实现了航行器的多次跨越。

该航行器还包括控制机构，控制机构分别与重心调节机构、可折叠式水下螺旋桨机构5、弹射出水机构6、蜗轮风扇发动机7、环境监测机构8和视频监控机构26连接，实现了控制机构对航行器内各机构的自动控制。

下面对该航行器在海空两栖间切换、并实现水下与空中运动的动作过程进行详细描述。

该航行器可以实现海空之间往复跨域、水下航行模式的快速切换。航行器首先从空中飞速飞行至作业水域，随后入水。由空入水时，机体逐渐从在一定高度的飞行下降到贴近水面飞行，涡轮风扇发动机7停止转动，以俯冲角度快速跨越气液界面，航行器的整体造型提高了俯冲入水过程中保持入水稳定性，极大的降低入水时的阻力和冲击力。

航行器入水后，在水中航行时，电机13带动传动杆15正转，传动杆调动螺纹杆转动过程中，螺纹杆上的推动盘向后运动，推动盘向后运动过程中，推动桨叶14向外展开，与此同时，传动杆15带动螺旋桨毂15和螺旋桨毂15上的桨叶15转动，为航行器提供动力源。航行器在水中航行的过程中，水下控制装置组件位于防水密封舱组件内，无刷电机Ⅰ通过带动丝杆导轨12转动，从而带动丝杆导轨12上的锂电池11在壳体内部前后移动，从而改变航行器的重心位置，实现航行器在水下的姿态调节。

当航行器需要出水时，控制机构9控制航行器到达水下较浅深度后，通过中心调节机构调节航行器的重心位置，此时机体重心偏后，头部向上仰起，控制机构9向弹射控制器25传达出水命令，弹射控制器25将电信号通过控制线束24传递到气体发生器23，气体发生器23内的电点火点燃药剂，产生大量气体使气囊膨胀，利用气囊膨胀产生的反冲作用力使航行器弹射出水。同时以最大功率启动涡轮风扇发动机7，使机体冲出水面进入空中飞行模式。

重复上述过程本发明可以实现海空两栖界面的切换，高效快速，能够承担起空中快速抵达作业区域，水下隐蔽探测采样等任务。

以上对本发明所提供的海空两栖航行器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。