跨介质航行器

1.本发明涉及空间推进技术领域，尤其涉及一种跨介质航行器。


背景技术：

2.目前跨介质航行器的主体多为细长体形状，其主体无法提供升力，因此需要较长的翼展来在空气中提供足够的升力，这样较长的翼展会使得机翼收缩和展开难度大，对实现变形回收的技术和能力要求较高。


技术实现要素：

3.基于此，有必要提供一种跨介质航行器，旨在解决跨介质航行器的主体无法提供升力导致机翼翼展过大而收缩和展开难度大的技术问题。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.跨介质航行器，包括：
6.主体，呈扁平状；
7.两个机翼组件，对称设于所述主体的两侧，所述机翼组件能够相对所述主体收缩和展开；及
8.驱动单元，设于所述主体且能够产生动力。
9.在所述跨介质航行器的一些实施例中，所述主体包括上表面和下表面，所述上表面和所述下表面连为一体，以在所述主体上形成迎流端和导流端，所述迎流端和所述导流端沿航行方向位于所述主体的两端。
10.在所述跨介质航行器的一些实施例中，所述主体的平行于所述航行方向的各第一纵截面的形状相同，且各所述第一纵截面的面积由所述主体的中部向两侧逐渐减小。
11.在所述跨介质航行器的一些实施例中，所述上表面为向远离所述下表面一侧的凸起的弧状面，所述下表面包括第一表面部和第二表面部，所述第一表面部一侧与所述第二表面部的一侧连接，另一侧与所述上表面连接，以形成所述迎流端，所述第二表面部的另一侧与所述上表面连接，以形成所述导流端，所述第一表面部为向远离所述上表面一侧凸起的弧状面，所述第二表面部为向所述上表面一侧凸起的弧状面。
12.在所述跨介质航行器的一些实施例中，所述迎流端具有前缘点，所述导流端上具有后缘点，构建直角坐标系，其中，坐标轴原点位于所述前缘点，x轴为所述前缘点和所述后缘点连线，方向从所述前缘点指向所述后缘点，y轴方向指向所述上表面一侧；
13.所述第一纵截面的弯度分布用所述第一纵截面的中心线的yc坐标表示：
[0014][0015][0016]
其中，m为所述第一纵截面的最大弯度，p为所述第一纵截面的最大弯度位置的横
坐标值；
[0017]
所述第一纵截面的厚度分布用半厚度y
t
表示：
[0018][0019]
其中，t为所述第一纵截面的最大厚度；
[0020]
则所述上表面各点坐标为：
[0021]
x
up
＝x-y
t
sinθ
[0022]yup
＝yc+y
t
cosθ
[0023]
则所述下表面各点坐标为：
[0024]
x
down
＝x+y
t
sinθ
[0025]ydown
＝y
c-y
t
cosθ
[0026]
其中，
[0027]
在所述跨介质航行器的一些实施例中，所述机翼组件能够收缩至所述主体内。
[0028]
在所述跨介质航行器的一些实施例中，所述机翼组件能够收缩至所述主体一侧，且平行于航行方向。
[0029]
在所述跨介质航行器的一些实施例中，所述机翼组件包括主翼和副翼，所述主翼的一端与所述主体旋转连接，所述副翼与所述主翼的另一端旋转连接。
[0030]
在所述跨介质航行器的一些实施例中，所述主翼沿其延伸方向的截面自所述主体至所述副翼逐渐减小。
[0031]
在所述跨介质航行器的一些实施例中，所述副翼沿其延伸方向的截面自所述主翼向远离主翼一侧逐渐增大。
[0032]
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
[0033]
上述方案的跨介质航行器，除了具备极佳的航行效能之外，其自身还能够避免机翼翼展过大导致收缩和展开难度大的问题。具体而言，该跨介质航行器包括主体、两个机翼组件及驱动单元。其中，主体呈扁平状，如此通过将主体设计成扁平状，使得主体在跨介质航行器航行过程中能够提供升力，从而降低了对机翼组件翼展的需要，有效降低机翼组件收缩和展开的难度。进一步地，两个机翼组件对称设于主体的两侧，能够保证跨介质航行器航行过程中的平衡性。机翼组件能够相对主体收缩，以减少跨介质航行器在水中的阻力。同时，机翼组件能够相对主体展开，以进一步提升跨介质航行器在空气中的升力。进一步地，驱动单元设于主体且能够产生动力，以保证跨介质航行器能够在不同介质中航行。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0035]
其中：
[0036]
图1为一个实施例中跨介质航行器的示意图，其中，机翼组件处于展开状态；
[0037]
图2为一个实施例中跨介质航行器的示意图，其中，机翼组件处于收缩状态；
[0038]
图3为另一个实施例中跨介质航行器的示意图，其中，机翼组件处于收缩状态；
[0039]
图4为一个实施例中跨介质航行器处于水面滑行时的示意图；
[0040]
图5为图1所示跨介质航行器的第一纵截面的示意图；
[0041]
图6为其他实施例中跨介质航行器的第一纵截面的示意图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0044]
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0045]
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0046]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
[0047]
目前跨介质航行器的主体多为细长体形状，其主体无法提供升力，因此需要较长的翼展来在空气中提供足够的升力，这样较长的翼展会使得机翼收缩和展开难度大，对实现变形回收的技术和能力要求较高。
[0048]
为解决上述技术问题本发明提供了一种跨介质航行器。其实质上为一种潜空跨介质航行器，是一种可在空中飞行和水下潜航的航行器。请一并结合图1至图4，跨介质航行器，包括主体10、两个机翼组件20及驱动单元(未示出)。其中，主体10呈扁平状，以补偿机翼组件20的升力。一方面在航行过程中，呈扁平状的主体10具有流线型的截面，能够减少介质(空气和水体)对主体10造成的阻力，尤其是跨介质航行器在水中航行时，流线型的主体10能够破开水体，减少水中的阻力。另一方面，扁呈扁平状的主体10本身在调整攻角的同时，可以控制主体10上下表面的流速差，即压力差，调节升力的大小。两个机翼组件20对称设于主体10的两侧，机翼组件20能够相对主体10收缩和展开。机翼组件20展开时，跨介质航行器可以像普通飞行器在空中飞行，当要入水的时候，机翼组件20相对主体10收缩，溅落入水，在入水抨击的时候能够有效保护机翼组件20，溅落入水后，由于水气密度不同，只靠主体10提供升力即可，同时，机翼组件20还可在展开和收缩之间进行调节，即在展开位置和收缩位置之间调整机翼组件20和主体10之间的位置，使得此时的机翼组件20能够充当船舶船舵的作用，提供给跨介质航行器转向能力。驱动单元设于主体10且能够产生动力。具体地，驱动单元可以为螺旋桨或喷流单元。其中，螺旋桨可驱动介质产生反作用力，以产生动力。如，跨介质航行器在空中时，螺旋桨可驱动空气产生反作用力。跨介质航行器在水中时，螺旋桨可驱动水体产生反作用力。而喷流单元可通过燃烧燃料而产生热空气，以产生动力。在一些实
施例中，驱动单元还可相对主体10转动，以调整动力方向，进而能够调整主体10攻角和改变跨介质航行器航行方向。另外，驱动单元的数量可为多个，通过多个驱动单元的共同配合，能够进一步提升调整主体10攻角和改变跨介质航行器航行方向的灵活性。本实施例中，主体10呈碟形或类碟形。航行方向平行于图1中箭头z所指方向。
[0049]
综上，实施本发明实施例，将具有如下有益效果：上述方案的跨介质航行器，除了具备极佳的航行效能之外，其自身还能够避免机翼翼展过大导致收缩和展开难度大的问题。具体而言，该跨介质航行器包括主体10、两个机翼组件20及驱动单元。其中，主体10呈扁平状，如此通过将主体10设计成扁平状，使得主体10在跨介质航行器航行过程中能够提供升力，从而降低了对机翼组件20翼展的需要，有效降低机翼组件20收缩和展开的难度。进一步地，两个机翼组件20对称设于主体10的两侧，能够保证跨介质航行器航行过程中的平衡性。机翼组件20能够相对主体10收缩，以减少跨介质航行器在水中的阻力。同时，机翼组件20能够相对主体10展开，以进一步提升跨介质航行器在空气中的升力。进一步地，驱动单元设于主体10且能够产生动力，以保证跨介质航行器能够在不同介质中航行。
[0050]
在一个实施例中，请一并结合图1至图5，主体10包括上表面11和下表面12，上表面11和下表面12连为一体，以在主体10上形成迎流端13和导流端14，迎流端13和导流端14沿航行方向位于主体10的两端。迎流端13能够对介质更好的切割，以方便介质沿上表面11和下表面12流动并从导流端14流出。驱动单元设于导流端14。
[0051]
在一个实施例中，如图5和图6所示，主体10的平行于航行方向的各第一纵截面的形状相同，且各第一纵截面的面积由主体10的中部向两侧逐渐减小，如此能够使得主体10受到介质的作用力更均匀，保证跨介质航行器航行的稳定性。
[0052]
在一个实施例中，如图5所示，上表面11为向远离下表面12一侧的凸起的弧状面。下表面12包括第一表面部121和第二表面部122。第一表面部121一侧与第二表面部122的一侧连接，另一侧与上表面11连接，以形成迎流端13。第二表面部122的另一侧与上表面11连接，以形成导流端14。第一表面部121为向远离上表面11一侧凸起的弧状面。如此使得第一表面部121和上表面11形成的迎流端13具有一定的流线型，方便介质导向上表面11和下表面12。同时，使得第一表面部121和上表面11形成的迎流端13刚度更大，耐介质冲击的能够更强，避免跨介质航行器航行过程中产生振动。第二表面部122为向上表面11一侧凸起的弧状面。如此使得介质作用于第二表面部122时产生的压力大于介质作用于上表面11时产生的压力，方便产生升力。相对于主体为细长体形状的跨介质航行器，在空中航行速度为160km/h的条件下，本实施例的跨介质航行器在空中0
°
攻角的状态下升力提升了26.55％，阻力降低了60.33％；在5
°
攻角下升力提升了15.65％，阻力降低了41.21％。在水中航行速度为6kn/h的条件下，本实施例的跨介质航行器在水中0
°
、-2.5
°
和-5
°
的攻角下，阻力分别降低了68.50％、73.32％和71.73％；本实施例的跨介质航行器在水中0
°
、-2.5
°
和-5
°
的攻角下，升力随不同攻角的变化范围更大，更容易通过调整攻角来调整跨介质航行器姿态。
[0053]
可以理解为在其他实施例中，如图6所示，第一纵截面还可为其他形状。如图6(a)，第一纵截面为上下非对称形式，迎流端13和导流端14类似传统机翼/水翼的流线型的前后缘，更容易破开介质。如图6(b)，第一纵截面为上下对称形式，可通过调整攻角来调整升力。如图6(c)，第一纵截面为纺锤或者水滴形状，有更好的流线型，形状阻力更小。如图6(d)，第一纵截面为迎流端13和导流端14均呈水滴状的形状，使得主体10具有更大的内部空间。如
图6(e)，第一纵截面具有内凹部，悬挂物可装载在主体10对应内凹部位置，使得主体10能够对悬挂物进行部分包裹，在入水抨击时降低水体对悬挂物的冲击。如图6(f)，第一纵截面为上下非对称形式，且迎流端13和导流端14均呈类水滴状的形状，下表面12更平缓，保证能够提升升力的同时，增加主体10的容积。
[0054]
在一个实施例中，如图5所示，迎流端13具有前缘点，导流端14上具有后缘点，构建直角坐标系，其中，坐标轴原点位于前缘点，x轴为前缘点和后缘点连线，方向从前缘点指向后缘点，y轴方向指向上表面11一侧。
[0055]
第一纵截面的弯度分布用第一纵截面的中心线u的yc坐标表示：
[0056][0057][0058]
其中，m为第一纵截面的最大弯度，p为第一纵截面的最大弯度位置的横坐标值。本实施例中，m等于后缘点的横坐标值的3.5％-4.5％，优选4％。p等于后缘点的横坐标值的35％-45％，优选40％。
[0059]
第一纵截面的厚度分布用半厚度y
t
表示：
[0060][0061]
其中，t为第一纵截面的最大厚度。本实施例中，t等于后缘点的横坐标值的10％-20％，优选15％。
[0062]
则上表面11各点坐标为：
[0063]
x
up
＝x-y
t
sinθ
[0064]yup
＝yc+y
t
cosθ
[0065]
则下表面12各点坐标为：
[0066]
x
down
＝x+y
t
sinθ
[0067]ydown
＝y
c-y
t
cosθ
[0068]
其中，
[0069]
在一个实施例中，如图3所示，机翼组件20能够收缩至主体10内。在入水的时候将机翼组件20收缩至主体10内，只留下主体10部分迎接入水时候的砰击，在减少水体对机翼组件20冲击的同时提升跨介质航行器隐身性能。利用主体10扁平状能够产生升力的特点，可将机翼组件20完全收缩至主体10内，有效地降低跨介质航行器在水中的阻力，从而大幅度地提高水中航速。进一步地，机翼组件20完全收缩至主体10内，使得跨介质航行器可以在水面附近加速到较大的航速，实现以高速状态跃出水面，直接出水起飞。进一步地，主体10内设有收容空间，机翼组件20能够收容于收容空间内。而为了减少收容空间所占主体10的体积，使得位于主体10内的部件具有更大的布局空间，机翼组件20可具有自收缩功能。例如，在一些实施例中，机翼组件20可具有多个套设段，相邻套设段套接，周向尺寸相对较小的套设段能够收容在周向尺寸相对较大的套设段中，各套设段逐个收缩，能够减少机翼组件20的体积，进而较小的收容空间就可将机翼组件20完全收容。机翼组件20由收容空间移出可通过设置在机翼组件20和主体10之间的电机实现。机翼组件20的自收缩和自展开可通
过设置在机翼组件20内的电机实现。
[0070]
在一个实施例中，如图2所示，机翼组件20能够收缩至主体10一侧，且平行于航行方向。跨介质航行器需要入水时，机翼组件20能够收缩至主体10一侧，溅落入水，在入水砰击的时候可以有效保护机翼组件20，能够最大程度减小机翼组件20在入水时候受到的砰击力度，减少受砰击面积，防止机翼组件20受到损伤。溅落入水后，在水中由于水气密度不同，只靠主体10提供升力，机翼组件20可以作为一种类似船舶船舵的结构提供跨介质航行器转向能力。具体地，机翼组件20与主体10之间可通过球铰连接并通过电机驱动机翼组件20相对主体10旋转和自转动，以调节机翼组件20和主体10之间的位置，进而能够调节跨介质航行器受到的阻力和升力大小以及改变跨介质航行器的航行方向。
[0071]
在一个实施例中，请一并结合图1、图2和图4所示，机翼组件20包括主翼21和副翼22，主翼21的一端与主体10旋转连接。副翼22与主翼21的另一端旋转连接。由于主翼21和副翼22之间为旋转连接，因此，在水中和空中能够改变机翼组件20的整体形状，进而通过改变整体形状，改变跨介质航行器受到的阻力、升力和航行方向。当跨介质航行器需要由水中起飞至空中时，主翼21自主体10两侧由与航行方向平行位置向下表面12一侧旋转，以与航行方向垂直。然后，主翼21再沿垂直于航行方向的平面向上表面11一侧旋转，以与主体10呈一定夹角，通过主翼21的逐渐打开，升力逐渐提高，以向水面航行。副翼22随主翼21移动，再沿垂直于航行方向的平面向上表面11一侧旋转，以与主体10平行。跨介质航行器到达水面后，主体10出水，副翼22浸没在水中，使得水体的支撑力能够传递至副翼22，以对跨介质航行器提供支撑。同时，跨介质航行器在由水面起飞时，由于副翼22的设置能够减少在水面起飞时受到的阻力，能够大大缩短在水面滑跑起飞的距离和时间，有利于军事化。
[0072]
在一个实施例中，请一并结合图1、图2和图4所示，主翼21沿其延伸方向的截面自主体10至副翼22逐渐减小。在保证升力、减少阻力的同时，能够增加主翼21与主体10之间的连接面积，增加主翼21与主体10之间的连接稳定性。
[0073]
在一个实施例中，请一并结合图1、图2和图4所示，副翼22沿其延伸方向的截面自主翼21向远离主翼21一侧逐渐增大。如此能够增加副翼22与水体之间的接触面积，增加水体对跨介质航行器的支撑力。本实施例中，主翼21和副翼22均具有类似传统机翼/水翼的流线型、符合伯努利原理的前缘和后缘，具体实施过程，可采用低速翼型或者超临界翼型的截面设置，作为本实施例中主翼和副翼的前后缘或主体截面。以方便切割介质和导流，减少航行阻力。在一个实施例中，主体10和机翼组件20由具有抗冲击的轻质材料制成，在保证跨介质航行器耐冲击的同时，减少跨介质航行器的整体重量，节省航行消耗。
[0074]
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。
[0075]
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

技术特征：
1.跨介质航行器，其特征在于，包括：主体，呈扁平状；两个机翼组件，对称设于所述主体的两侧，所述机翼组件能够相对所述主体收缩和展开；及驱动单元，设于所述主体且能够产生动力。2.根据权利要求1所述的跨介质航行器，其特征在于，所述主体包括上表面和下表面，所述上表面和所述下表面连为一体，以在所述主体上形成迎流端和导流端，所述迎流端和所述导流端沿航行方向位于所述主体的两端。3.根据权利要求2所述的跨介质航行器，其特征在于，所述主体的平行于所述航行方向的各第一纵截面的形状相同，且各所述第一纵截面的面积由所述主体的中部向两侧逐渐减小。4.根据权利要求3所述的跨介质航行器，其特征在于，所述上表面为向远离所述下表面一侧的凸起的弧状面，所述下表面包括第一表面部和第二表面部，所述第一表面部一侧与所述第二表面部的一侧连接，另一侧与所述上表面连接，以形成所述迎流端，所述第二表面部的另一侧与所述上表面连接，以形成所述导流端，所述第一表面部为向远离所述上表面一侧凸起的弧状面，所述第二表面部为向所述上表面一侧凸起的弧状面。5.根据权利要求4所述的跨介质航行器，其特征在于，所述迎流端具有前缘点，所述导流端上具有后缘点，构建直角坐标系，其中，坐标轴原点位于所述前缘点，x轴为所述前缘点和所述后缘点连线，方向从所述前缘点指向所述后缘点，y轴方向指向所述上表面一侧；所述第一纵截面的弯度分布用所述第一纵截面的中心线的y
c
坐标表示：坐标表示：其中，m为所述第一纵截面的最大弯度，p为所述第一纵截面的最大弯度位置的横坐标值；所述第一纵截面的厚度分布用半厚度y
t
表示：其中，t为所述第一纵截面的最大厚度；则所述上表面各点坐标为：x
up
＝x-y
t
sinθy
up
＝y
c
+y
t
cosθ则所述下表面各点坐标为：x
down
＝x+y
t
sinθy
down
＝y
c-y
t
cosθ其中，6.根据权利要求1所述的跨介质航行器，其特征在于，所述机翼组件能够收缩至所述主体内。
7.根据权利要求1所述的跨介质航行器，其特征在于，所述机翼组件能够收缩至所述主体一侧，且平行于航行方向。8.根据权利要求6或7所述的跨介质航行器，其特征在于，所述机翼组件包括主翼和副翼，所述主翼的一端与所述主体旋转连接，所述副翼与所述主翼的另一端旋转连接。9.根据权利要求8所述的跨介质航行器，其特征在于，所述主翼沿其延伸方向的截面自所述主体至所述副翼逐渐减小。10.根据权利要求9所述的跨介质航行器，其特征在于，所述副翼沿其延伸方向的截面自所述主翼向远离主翼一侧逐渐增大。

技术总结
本发明实施例公开了一种跨介质航行器，涉及空间推进技术领域。该跨介质航行器包括主体、两个机翼组件及驱动单元。其中，主体呈扁平状，如此通过将主体设计成扁平状，使得主体在跨介质航行器航行过程中能够提供升力，从而降低了对机翼组件翼展的需要，有效降低机翼组件收缩和展开的难度。进一步地，两个机翼组件对称设于主体的两侧，能够保证跨介质航行器航行过程中的平衡性。机翼组件能够相对主体收缩，以减少跨介质航行器在水中的阻力。同时，机翼组件能够相对主体展开，以进一步提升跨介质航行器在空气中的升力。进一步地，驱动单元设于主体且能够产生动力，以保证跨介质航行器能够在不同介质中航行。在不同介质中航行。在不同介质中航行。


技术研发人员：王文华 王砺剑 黄一
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/6/27