超空泡两栖式水翼跨介质地效飞行器的制作方法

本发明涉及飞行器技术领域，特别是涉及超空泡两栖式水翼跨介质地效飞行器。

背景技术：

在传统的飞行器领域中，飞行器只能在空中或贴近水面进行航行，而无法实现同时具备水下作业与贴近水面高速飞行的功能。

为了拓展现有飞行器的作业环境和应用范围，充分利用水下航行的高度隐蔽性和空中飞行的高机动性的优势，研究具有水空两栖生存能力的跨介质飞行器是非常有必要的。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种同时具备水下作业与贴近水面高速航行的功能的超空泡两栖式水翼跨介质地效飞行器。

一种超空泡两栖式水翼跨介质地效飞行器，包括：飞行器主体，包括壳体、设置于所述壳体的浮力调节机构、以及设置于所述壳体的飞行动力机构；水翼，一端与所述壳体转动连接；及水下推动装置，包括与所述水翼的另一端连接的水下推进机构、以及与所述水下推进机构连接的空化器，所述空化器用于使所述水下推动装置的外表面形成超空泡。

在其中一个实施例中，所述水翼为两个，所述水下推动装置为两个，两个所述水翼分别设置在所述飞行器主体的左右两侧，两个所述水下推动装置与两个所述水翼一一对应地连接。

在其中一个实施例中，所述浮力调节机构包括至少两个浮力调节组件，至少一个所述浮力调节组件位于所述超空泡两栖式水翼跨介质地效飞行器的质心的前方，至少一个所述浮力调节组件位于所述超空泡两栖式水翼跨介质地效飞行器的质心的后方。

在其中一个实施例中，每个所述浮力调节组件均包括沿所述飞行器主体的宽度方向设置的两个浮力调节单元，两个所述浮力调节单元分别设置在所述超空泡两栖式水翼跨介质地效飞行器的质心的左右两侧；

每个所述浮力调节单元均包括具有水口的浮筒、可活动地设置于所述浮筒内的活塞组件以及与所述活塞组件驱动连接的第一驱动模块，所述第一驱动模块用于驱动所述活塞组件靠近或远离所述水口，以改变所述浮筒的进水量。

在其中一个实施例中，所述第一驱动模块包括第一电机以及与所述第一电机的输出轴传动连接的丝杆，所述活塞组件包括活塞本体、以及与所述活塞本体连接的支架，所述支架设有螺纹孔，所述丝杆穿设于所述螺纹孔中，所述丝杆受所述第一电机的驱动而转动，以带动所述活塞本体靠近或远离所述水口。

在其中一个实施例中，所述壳体设有容纳腔，且所述壳体的顶部设有与所述容纳腔连通的开口，所述飞行动力机构包括设置于所述容纳腔内的升降驱动件、以及所述升降驱动件驱动连接的涡喷发动装置，所述升降驱动件用于使所述涡喷发动装置在第一状态与第二状态切换；

其中，当所述涡喷发动装置处于所述第一状态时，所述涡喷发动装置位于所述容纳腔内并密封所述开口，当所述涡喷发动装置处于所述第二状态时，所述涡喷发动装置通过所述开口伸至所述容纳腔外。

在其中一个实施例中，所述水下推进机构包括螺旋桨推进机构，所述螺旋桨推进机构包括第二驱动模块以及与所述第二驱动模块驱动连接的前置螺旋桨。

在其中一个实施例中，所述前置螺旋桨位于所述水下推动装置的头部，所述空化器设置于所述前置螺旋桨的后方。

在其中一个实施例中，所述水下推进机构还包括后置尾舵组件。

在其中一个实施例中，所述后置尾舵组件包括水平尾舵以及与所述水平尾舵驱动连接的第三驱动模块，所述第三驱动模块用于驱动所述水平尾舵沿预设方向摆动。

上述的飞行器中，浮力调节机构用于调节飞行器的浮力，使得飞行器能够上浮或下沉，实现潜水与浮在水面上。在潜水过程中，可以通过水下推进机构进行航行。在飞行过程中，由于空化器的超空泡作用，能够有效减小水下推动装置的阻力，再通过飞行动力机构提供推力，能够使飞行器获得更大的速度，从而实现飞行器悬于水面上空高速飞行。另外，水翼能够提高飞行器的水动力，通过水翼提供的升力使飞行器脱离水面，有效减小飞行器的阻力。

附图说明

图1为本发明一实施例中的超空泡两栖式水翼跨介质地效飞行器的结构示意图；

图2为本发明一实施例中的飞行器主体的结构示意图；

图3为本发明一实施例中的飞行器主体的爆炸结构示意图；

图4为本发明一实施例中的飞行器主体的侧视结构示意图；

图5为图4所示图形沿a-a截面的剖视图；

图6为本发明一实施例中的飞行动力机构的结构示意图；

图7为本发明一实施例中的水下推动装置的结构示意图；

图8为本发明一实施例中的螺旋桨推进机构的结构示意图；

图9为本发明一实施例中的后置尾舵组件的结构示意图；

图10为本发明一实施例中的气室段与空化器的装配结构示意图；

图11为本发明一实施例中的气室段的结构示意图；

图12为本发明一实施例中的飞行器主体与水翼的爆炸局部结构示意图。

附图标记说明：

100、飞行器主体；110、壳体；111、第一容纳腔；112、第二容纳腔；113、安装口；114、第二限位孔；115、转轴；116、转轴座；120、浮力调节机构；121、浮力调节组件；1211、浮力调节单元；12111、第一电机；12112、丝杆；12113、活塞本体；12114、支架；12115、连接杆；12116、第一电机壳；12117、导向杆；12118、浮筒；121181、水口；121182、气口；130、飞行动力机构；131、涡喷发动装置；1311、涡喷发动机；1312、底座；1313、顶盖；132、导向座；1321、内腔；140、盖板；200、水翼；201、第一限位孔；210、低速水翼；220、高速水翼；300、水下推动装置；301、电机段；302、电调段；303、电池段；311、前置螺旋桨；312、水平尾舵；3121、联轴器；313、舵机；3131、摇臂；314、连杆组件；315、第二电机；316、传动轴；320、气室段；321、空化器；322、气室。

具体实施方式

为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。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多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改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，一实施例涉及的一种超空泡两栖式水翼跨介质地效飞行器(以下简称飞行器)，包括飞行器主体100、水翼200以及水下推动装置300。

如图2、图3所示，飞行器主体100包括壳体110、设置于所述壳体110的浮力调节机构120、以及设置于所述壳体110的飞行动力机构130。浮力调节机构120用于调节所述飞行器所受的浮力，使得飞行器能够沉入到水中或浮在水面，飞行动力机构130用于在飞行器浮至水面上时驱动飞行器在水面上高速飞行。

如图3所示，具体地，壳体110的头部和尾部为钝头体，且壳体110设有具有第一开口的第一容纳腔111，浮力调节机构120设置于第一容纳腔111内，第一开口通过盖板140密封，且盖板140与壳体110之间通过设置密封圈和密封油提高密封性。

如图2、图3所示，所述浮力调节机构120包括至少两个浮力调节组件121，至少一个所述浮力调节组件121位于所述飞行器的质心的前方，至少一个所述浮力调节组件121位于所述飞行器的质心的后方。至少一个浮力调节组件121用于调节飞行器前部分的浮力，至少一个浮力调节组件121用于调节飞行器后部分的浮力，如此，不仅可以调整整个飞行器的浮力，还可以使得飞行器的前部分和后部分所受的浮力具有差别。

具体地，当飞行器接受下浮指令时，可以通过浮力调节机构120调节整个飞行器所受的浮力，使得整个飞行器的重力大于浮力，实现快速下潜，同时通过保证飞行器的前部分所受的浮力小于飞行器后部分所受的浮力，使得整个飞行器产生低头力矩，从而使飞行器保持某一倾角下潜。当飞行器接受上浮指令时，可以通过浮力调节机构120调节整个飞行器所受的浮力，使得整个飞行器的重力小于浮力，实现快速上浮，同时通过保证飞行器的前部分所受的浮力大于飞行器后部分所受的浮力，从而使飞行器保持某一仰角上浮。

如图3所示，在其中一个实施例中，每个所述浮力调节组件121均包括沿所述飞行器主体100的宽度方向设置的两个浮力调节单元1211，两个所述浮力调节单元1211分别设置在所述飞行器的质心的左右两侧。其中一个浮力调节单元1211用于飞行器左侧的浮力，另一个浮力调节单元1211用于调节飞行器右侧的浮力，如此，可以使得飞行器的左侧部分和右侧部分所受的浮力具有差别。

具体地，当飞行器接受转弯的指令时，可以通过两个浮力调节单元1211使得飞行器主体100左右两侧所受的浮力产生差别，从而产生偏航力矩，实现快速转弯，从而提高飞行器的偏航机动性。

图5所示，图5所示图形为图4所示图形沿a-a截面的剖视图，在其中一个实施例中，每个所述浮力调节单元1211均包括具有水口121181的浮筒12118、可活动地设置于所述浮筒12118内的活塞组件以及与所述活塞组件驱动连接的第一驱动模块，所述第一驱动模块用于驱动所述活塞组件靠近或远离所述水口121181，以改变所述浮筒12118的进水量。如此，可以通过改变浮筒12118的进水量，从而改变飞行器的所受浮力的大小。

如图3所示，具体地，浮力调节机构120具有四个浮力调节单元1211，壳体110开设有四个安装口113，其中两个安装口113开设于壳体110的左侧，且该两个安装口113分别开设于飞行器的质心的前后两方，另两个安装口113开设于壳体110的右侧，并与前述两个安装口113一一对应地相对设置，四个浮力调节单元1211与四个安装口113一一对应。

如图3、图5所示，每个浮力调节单元1211中的浮筒12118与与之对应的安装口113的内壁密封连接，并使浮筒12118上的水口121181与外界连通。当第一驱动模块驱动活塞组件朝向水口121181移动时，浮筒12118内的排水量增加，从而减小飞行器的浮力；当第一驱动模块驱动活塞组件背向水口121181移动时，浮筒12118内的排水量减小，从而增大飞行器的浮力。

如图5所示，在其中一个实施例中，所述第一驱动模块包括第一电机12111以及与所述第一电机12111的输出轴传动连接的丝杆12112，所述活塞组件包括活塞本体12113、以及与所述活塞本体12113连接的支架12114，所述支架12114设有螺纹孔，所述丝杆12112穿设于所述螺纹孔中，所述丝杆12112受所述第一电机12111的驱动而转动，以带动所述活塞本体12113靠近或远离所述水口121181。第一电机12111在工作时带动丝杆12112转动，从而使得具有螺纹孔的支架12114靠近或远离水口121181，从而使得活塞本体12113靠近或远离水口121181，以此改变浮筒12118的进水量。

具体地，第一电机12111的输出轴与水口121181相对设置，第一电机12111外固定套设有与浮筒12118连接的第一电机壳12111，第一电机壳12111上连接有导向杆12117，导向杆12117与第一电机12111的输出轴并列间隔设置；支架12114上设有螺纹孔以及导向孔，支架12114通过导向孔套设于导向杆12117外，且支架12114相对于导向杆12117可沿导向杆12117的轴向移动，同时，支架12114通过螺纹孔套设于丝杆12112外，且螺纹孔的内壁与丝杆12112的外壁螺纹连接；活塞本体12113与支架12114通过连接杆12115固定连接，且活塞本体12113与浮筒12118的内壁贴合并滑动配合。当第一电机12111运行时，第一电机12111驱动丝杆12112转动，从而使得支架12114沿着丝杆12112的轴向以及导向杆12117的轴向移动，如此来带动活塞本体12113靠近或远离水口121181。

更具体的，浮筒12118开设有气口121182，气口121182位于活塞本体12113远离水口121181的一侧。如此，可以保证活塞顺畅地在浮筒12118内移动。

如图3所示，在其中一个实施例中，壳体110设有第二容纳腔112，且所述壳体110的顶部设有与所述第二容纳腔112连通的第二开口。

请继续参照图6，所述飞行动力机构130包括设置于所述第二容纳腔112内的升降驱动件(未示出)、以及所述升降驱动件驱动连接的涡喷发动装置131，所述升降驱动件用于使所述涡喷发动装置131在第一状态与第二状态切换；其中，当所述涡喷发动装置131处于所述第一状态时，所述涡喷发动装置131位于所述第二容纳腔112内并密封所述第二开口，当所述涡喷发动装置131处于所述第二状态时，所述涡喷发动装置131通过所述第二开口伸至所述第二容纳腔112外。

当飞行器处于潜水状态时，涡喷发动装置131处于第一状态，以减少阻力；当飞行器处于飞行状态时，涡喷发动装置131处于第二状态，用于提供飞行动力。

具体地，飞行动力机构130还包括设置于第二容纳腔112的导向座132，导向座132设有内腔1321，升降驱动件设置于内腔1321内，升降驱动件可以是液压缸或气缸，涡喷发动装置131包括底座1312、涡喷发动机1311以及顶盖1313，底座1312以及顶盖1313连接并形成具有容纳空间的防护结构，涡喷发动机1311设置于容纳空间内，且该防护结构与导向座132的内壁导向配合；当所述涡喷发动装置131处于所述第一状态时，所述涡喷发动装置131位于所述内腔1321内，且顶盖1313密封所述第二开口。

需要说明的是，以上所述的第二容纳腔112与第一容纳腔111可以相互连通，也可以相互隔离。

如图1所示，在其中一个实施例中，所述水翼200为两个，所述水下推动装置300为两个，两个所述水翼200分别设置在所述飞行器主体100的两侧，两个水下推动装置300与两个所述水翼200一一对应地连接。

进一步地，水翼200的一端与壳体110通过转动连接，另一端与水下推动装置300连接。

具体地，水翼200包括高速水翼220及与高速水翼220连接的低速水翼210，高速水翼220在下，低速水翼210在上，低速水翼210与壳体110通过转轴转动连接，高速水翼220通过弹性卡箍与水下推动装置300连接。

具体地，通过对水翼200的形状设计，使得低速水翼210的升力系数大，在速度低的情况下提供较大的升力，高速水翼220的升力系数小，在速度较高的情况下提供较大的升力。

如图12所示，进一步地，水翼200靠近飞行器主体的一端设有多个第一限位孔201，多个第一限位孔201沿所述水翼200的转动方向间隔设置，所述飞行器主体上设有第二限位孔114，所述第一限位孔114能够在所述水翼20转动时一一轮换地与第二限位孔201相对，第一限位孔114与第二限位孔201用于供限位轴穿设。如此，可以根据具体需求调整水翼200的偏转角度，提高机动性。

具体地，壳体110的侧边设有转轴座116，转轴座116上设置有用于与水翼200转动连接的转轴115，且转轴座上设有第二限位孔114。

如图7所示，水下推动装置300包括与所述水翼200的另一端连接的水下推进机构、以及与所述水下推进机构连接的空化器321，所述空化器321用于使所述水下推动装置300的外表面形成超空泡。

如图1、图7所示，当飞行器靠近海面飞行时，水下推动装置300通过空化器321形成稳定的超空泡，将水下推动装置300包裹，从而减小水的粘性阻力，进而提高水下推动装置300的运行速度，并且受海面的影响，流经水翼200下方的气流被阻滞，根据文丘里效应，阻碍水翼200后缘下洗流运动，减小诱导阻力的产生，并能获得额外升力。这种减少飞行过程中的诱导阻力，并获取到比在高空飞行时更高的升阻比的物理机制，称之为地面效应，地面效应机制的应用能明显提高飞行器的气动性能。

如图7、图8所示，进一步地，所述水下推进机构包括螺旋桨推进机构，所述螺旋桨推进机构包括第二驱动模块以及与所述第二驱动模块驱动连接的前置螺旋桨311。第二驱动模块用于驱动前置螺旋桨311转动，从而使得前置螺旋桨311推动飞行器在水中航行。

具体地，前置螺旋桨311设置在水下推动装置300的头部，所述第二驱动模块为第二电机315，第二电机315通过传动轴316与前置螺旋桨311连接，第二电机315用于驱动前置螺旋桨311转动。

另外，当飞行在潜水过程中进行转弯时，浮力调节机构120在产生偏航力矩的同时，可以配合飞行器两侧的前置螺旋桨311的差速调节，实现快速转弯，提高飞行器的偏航机动性。

如图7、图8所示，更具体地，水下推动装置300的中间部分呈圆柱状，两头部分呈弹头状，水下推动装置300具有电机段301，电机段301包括第一外壳以及设置在第一外壳内的第二电机315，第二电机315的输出轴朝向水下推动装置300的头部，并通过传动轴316与头部的螺旋桨连接。

如图7所示，更进一步地，水下推动装置300还包括电调段302，电调段302包括第二壳体110以及设置与第二壳体110内的电调，第二壳体110与第一壳体110远离前置螺旋桨311的一端连接，电调与第二电机315电性连接，用于调节第二电机315的转速。

如图7、图8所示，进一步地，水下推动装置300还包括电池段303，电池段303包括第三壳体110以及设置于第三壳体110内的电池，电池用于给点调以及第二电机315输送电能。

如图7、图10、图11所示，进一步地，电机段301与前置螺旋桨311之间具有气室段320，气室段320设有气室322，空化器321安装在气室段320与前置螺旋桨311之间，空化器321为通气空化器321，通气空化器321与气室322连接，气室322为空化器321提供源源不断的空气，保证飞行器在跨介质飞行时能够形成超空泡。

在其他实施例中，空化器321也可以是其他的现有结构。

如图7所示，在其中一个实施例中，所述水下推进机构还包括后置尾舵组件，后置尾舵组件设置于水下推进机构的后部。

如图7、图9所示，进一步地，所述后置尾舵组件包括水平尾舵312以及与所述水平尾舵312驱动连接的第三驱动模块，所述第三驱动模块用于驱动所述水平尾舵312沿预设方向摆动。

如图9所示，具体地，所述的预设方向为竖直方向，第三驱动模块为舵机313，舵机313的输出轴与摇臂3131连接，摇臂3131通过连杆组件314与尾舵的联轴器3121连接，摇臂3131、连杆组件314以及水平尾舵312的联轴器3121配合形成四边形连杆结构，舵机313用于驱动摇臂3131在竖直平面内摆动，从而通过连接组件带动水平尾舵312在竖直平面内摆动。

当飞行器在水面高速飞行时，通气空化器321产生气体，从空化器321头部边缘到水平尾舵312前部可以形成气液混合的流动界面即超空泡形态，超空泡稳定后尾部慢慢上浮，其未能完全包裹水平尾舵312，水平尾舵312与水接触，通过舵机313控制水平尾舵312的俯仰攻角，从而控制飞行器的俯仰力矩，提高飞行器的纵向稳定性。

如图1、图2、图7所示，进一步地，当飞行器在水下潜行时，涡喷发动装置131收缩到壳体110内部，壳体110形成密封空间。此时，启动前置螺旋桨311为飞行器提供水下潜行的动力，再通过浮力调节机构120，同时辅以水平尾舵312的微调，实现上浮和下潜。当飞行器在水面飞行时，涡喷动力装置通过升降驱动件伸出壳体110外部，并启动涡喷发动机1311和空化器321，关闭前置螺旋桨311，再辅以水平尾舵312的俯仰控制，实现飞行器贴近水面高速飞行。

另外，在飞行器下潜的过程中，也可以通过浮力调节机构120与水平尾舵312的共同作用，快速到达指定深度附近。

上述的飞行器中，浮力调节机构120用于调节飞行器的浮力，使得飞行器能够上浮或下沉，实现潜水与浮在水面上。在潜水过程中，可以通过水下推进机构进行航行。在飞行过程中，由于空化器321的超空泡作用，能够有效减小水下推动装置300的阻力，再通过飞行动力机构130提供推力，能够使飞行器获得更大的速度，从而实现飞行器悬于水面上空高速飞行。另外，水翼200能够提高飞行器的水动力，通过水翼200提供的升力使飞行器脱离水面，有效减小飞行器的阻力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

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