一种整体式强稳态贴海面自由穿梭异构飞行器的制作方法

1.本实用新型涉及飞行器技术领域，特别涉及一种整体式强稳态贴海面自由穿梭异构飞行器。


背景技术：

2.由于掠海飞行器具有长距离飞行、超低空飞行的性能，其在海洋资源勘探、抢险救灾、科学研究等领域有着越来越广泛的应用。掠海飞行器在进行长距离越海飞行时，为了节约能耗，往往采用超低空巡航飞行模式；但复杂的海洋环境对飞行器的飞行提出挑战。海面上空的大气环境与陆地上空存在巨大差别，特别是海浪的存在，使得超低空飞行掠海飞行器的飞行安全受到威胁。
3.在掠海飞行器超低空飞行时，海浪和阵风是影响飞行器掠海飞行的主要环境因素，尤其是海浪，通过干扰飞行器的飞行高度控制而影响其生存能力。飞行器在掠海飞行时受到海况影响，撞击海浪的概率称为击水概率。有资料表明，在我国南海典型恶劣天气过程中，将出现5m以上海浪，研究认为掠海飞行器在贴海面飞行过程中击水概率超过60％。因此，在掠海飞行器设计时，如何保证飞行器的稳定性成为重要的问题之一。
4.现有技术中已有的掠海飞行器大多借鉴陆地飞行器的基本构型，通过改变机翼的设置方式等手段提高掠海飞行器长时间的飞行能力及低空飞行能力；但这样的设计方式仍不能满足掠海飞行器飞行稳定性、机动性的要求。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种整体式强稳态贴海面自由穿梭异构飞行器，采用圆盘形高升阻比强稳定一体化外形布局设计，在飞行器内部设置惯性稳定器以直接抵抗飞行器低空飞行时由于海浪等因素造成的干扰力矩，使得飞行器能够在贴海面飞行时保持方位稳定。同时，为了进一步解决现有技术中掠海飞行器击水失稳的问题，飞行器下表面采用高升阻比乘波外形设计，在滑翔过程中采用下表面迎风飞行；飞行器上表面采用适应水面跳跃机动自稳定滑行外形设计，在水面跳跃机动过程中翻转180
°
上表面触水飞行。本实用新型的所述飞行器有效解决了传统掠海飞行器击水失稳的难题，可以跨空水介质飞行，入水后仍可保持航向稳定。
6.本实用新型提供一种整体式强稳态贴海面自由穿梭异构飞行器，所述飞行器整体为圆盘形，其上表面为中心对称扁平圆碟形，下表面为高升阻比乘波外形；所述飞行器包括飞行器主体1，惯性稳定器2，主动力发动机3，以及姿态调整侧喷管4；所述飞行器主体1内部安装至少两台所述惯性稳定器2，用于为所述飞行器提供稳定力矩；在所述飞行器主体1尾部设置所述主动力发动机3，并通过所述主动力发动机3提供推进力；所述姿态调整侧喷管4设置至少三个，分别设置在所述飞行器主体1的前部、左侧及右侧。
7.进一步地，所述飞行器主体1内部安装固体火箭药柱21；所述固体火箭药柱21为所述主动力发动机3以及所述姿态调整侧喷管4提供燃料。
8.进一步地，所述惯性稳定器2通过差动起到所述飞行器的姿态调整作用。
9.进一步地，所述主动力发动机3为喷管式固体轨控发动机。
10.进一步地，所述姿态调整侧喷管4为固定喷管，依靠脉冲来提供飞行器纵向方向的控制力矩。
11.本实用新型提供了一种整体式强稳态贴海面自由穿梭异构飞行器，该飞行器利用设置在飞行器内部的惯性稳定器，基于陀螺稳定效应直接抵抗飞行器的干扰力矩，使飞行器在海面击水条件下可保持方向稳定性，具有良好的复杂海况下飞行性能，可用于特殊用途的飞行场景。飞行器采用的上下表面异构设计，大幅提升了其飞行性能，可以实现跨介质长时飞行，并具备短暂的入水下滑行能力，这是传统掠海飞行器无法完成的。此外，飞行器的外形采用圆盘式无头设计，通过控制自身的旋转来改变推力方向，在机动能力上优于传统的固定翼掠海飞行器和巡航飞行器。
附图说明
12.为了更完整地理解本实用新型，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
13.图1为本实用新型所述的飞行器的结构示意图；
14.图2为本实用新型所述的飞行器的外形侧视图；
15.图3为本实用新型所述的飞行器气动特性仿真计算结果；其中(a)为流线图(俯视)，(b)为流线图(侧视)，(c)为飞行器上表面压力云图，(d)为飞行器下表面压力云图；
16.图4为本实用新型所述飞行器的内部结构示意图；
17.图5为本实用新型所述飞行器水面跳跃仿真结果示意图；
18.图6为本实用新型所述飞行器不同飞行攻角对击水跳跃能力的影响分析仿真结果示意图；其中，(a)为速度历程，(b)为飞行倾角历程，(c)为x-y剖面位移；
19.图7为本实用新型所述飞行器不同速度对击水跳跃能力的影响分析仿真结果示意图；其中，(a)为速度历程，(b)为飞行倾角历程，(c)为x-y剖面位移；
20.图8为本实用新型所述飞行器不同飞行倾角对击水跳跃能力的影响分析仿真结果示意图；其中，(a)为速度历程，(b)为飞行倾角历程，(c)为x-y剖面位移。
具体实施方式
21.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.本实用新型提供一种整体式强稳态贴海面自由穿梭异构飞行器，参考说明书附图图1及图2，所述飞行器主要包括飞行器主体1，惯性稳定器2，主动力发动机3，以及姿态调整侧喷管4。为描述方便，以垂直于圆盘形平面的竖直方向为z方向，所述飞行器的纵向为y方向，所述飞行器的横向为x方向。
23.所述飞行器采用圆盘形的高升阻比强稳定一体化外形布局设计；并且，为了解决该构型设计下气动特性不优、跨介质冲击载荷大的问题，所述飞行器采用了上下表面异构设计：所述飞行器上表面为中心对称扁平圆碟形，下表面为高升阻比乘波外形。所述飞行器
的气动特性仿真计算结果如图3所示，其中(a)为流线图(俯视)，(b)为流线图(侧视)，(c)为飞行器上表面压力云图，(d)为飞行器下表面压力云图。
24.本实用新型提供的所述整体式强稳态贴海面自由穿梭异构飞行器采用了整体式布局，结构更加刚性，抗冲击能力强；并且，可更加充分利用内部空间。如图4所示，所述飞行器主体1中安装了固体火箭药柱21、惯性稳定器2、以及各类载荷和连接部件；其中，所述固体火箭药柱21为所述主动力发动机3及姿态调整侧喷管4提供燃料；各类载荷和连接部件的布置在图中未详细示出，可根据实际承载和连接情况进行布置。
25.所述飞行器主体1内部安装的两台所述惯性稳定器2用于为所述飞行器提供稳定力矩。由于所述惯性稳定器2内置在所述飞行器主体1中，半径较小，因此，在工作时，所述惯性稳定器2需要确保较高转速，使其能够提供所述飞行器姿态稳定所需的角动量。
26.依据马格努斯效应，所述惯性稳定器2通过差动也可起到所述飞行器的姿态调整作用，可用以调整所述飞行器的偏航角及滚转角。
27.所述惯性稳定器2通过内部固态电池进行驱动。
28.在所述飞行器主体1尾部设置3台所述主动力发动机3，并通过所述主动力发动机3提供推进力。所述主动力发动机3为喷管式固体轨控发动机。
29.在所述飞行器主体1的前部、左侧及右侧分别设置至少3个所述姿态调整侧喷管4，所述姿态调整侧喷管4为固定喷管，依靠脉冲来提供飞行器纵向y方向的控制力矩。在需要提供不同方向的推进力时，先通过所述姿态调整侧喷管4调整所述主动力发动机3的喷管方向，再启动所述主动力发动机3产生推力。所述飞行器滑翔过程采用下表面迎风飞行，水面跳跃机动过程中，通过所述姿态调整侧喷管4的工作来实现飞行器翻转180
°
上表面触水飞行。
30.为了验证本实用新型所述飞行器在贴海面飞行时的稳定性，对本实用新型所述的飞行器进行了数值模拟，具体如下：
31.开展击水力学特性计算，计算结果如图5所示。计算结果表明，在随机海浪环境，本实用新型的所述飞行器连续击水条件下可稳定飞行。
32.为评估所述飞行器打水漂跳跃飞行的机动能力，结合所述飞行器的气动特性，选取初始速度600m/s，初始飞行倾角5
°
，对所述飞行器不同飞行攻角击水的跳跃能力进行分析，具体计算结果参考图6。结果表明：1
°
攻角单次跳跃距离超过7km，跳跃高度0.2km，适合进行抢险救灾；3
°
攻角单次跳跃距离超过18km，跳跃高度4km，适合进行高空探测勘察。
33.为评估打水漂跳跃飞行的机动能力，结合前面的气动特性，选取初始攻角3
°
、初始飞行倾角5
°
，对不同飞行速度击水的跳跃能力进行分析，具体计算结果参考图7。结果表明：600m/s飞行时其跳跃能力最强，单次跳跃距离超过18km，跳跃高度4.1km；400m/s单次跳跃距离13km，跳跃高度0.8km。
34.为评估打水漂跳跃飞行的机动能力，结合前面的气动特性，选取初始攻角3
°
、初始速度600m/s，对不同飞行倾角击水的跳跃能力进行分析，具体计算结果参考图8。结果表明：不同飞行倾角下的跳跃能力接近；1
°
攻角条件下飞行距离较远，飞行高度较低。
35.综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：
1.一种整体式强稳态贴海面自由穿梭异构飞行器，其特征在于所述飞行器整体为圆盘形，其上表面为中心对称扁平圆碟形，下表面为高升阻比乘波外形；所述飞行器包括飞行器主体(1)，惯性稳定器(2)，主动力发动机(3)，以及姿态调整侧喷管(4)；所述飞行器主体(1)内部安装至少两台所述惯性稳定器(2)，用于为所述飞行器提供稳定力矩；在所述飞行器主体(1)尾部设置所述主动力发动机(3)，并通过所述主动力发动机(3)提供推进力；所述姿态调整侧喷管(4)设置至少三个，分别设置在所述飞行器主体(1)的前部、左侧及右侧。2.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于，所述飞行器主体(1)内部安装固体火箭药柱(21)；所述固体火箭药柱(21)为所述主动力发动机(3)以及所述姿态调整侧喷管(4)提供燃料。3.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于，所述惯性稳定器(2)通过差动调整所述飞行器的姿态。4.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于，所述主动力发动机(3)为喷管式固体轨控发动机。5.根据权利要求1所述的飞行器，其特征在于，所述姿态调整侧喷管(4)为固定喷管，依靠脉冲来提供所述飞行器纵向方向的控制力矩。

技术总结
一种整体式强稳态贴海面自由穿梭异构飞行器，采用圆盘形高升阻比强稳定一体化外形布局设计，在飞行器内部设置惯性稳定器以直接抵抗飞行器低空飞行时由于海浪等因素造成的干扰力矩，使得飞行器能够在贴海面飞行时保持方位稳定。同时，为了进一步解决现有技术中掠海飞行器击水失稳的问题，飞行器下表面采用高升阻比乘波外形设计，在滑翔过程中采用下表面迎风飞行；飞行器上表面采用适应水面跳跃机动自稳定滑行外形设计，在水面跳跃机动过程中翻转180


技术研发人员：张璐 郑永瑛 马肸 陈玉波 李永远 李旗挺 岳新成 安跃文 张恩铭
受保护的技术使用者：中国人民解放军96901部队22分队
技术研发日：2022.11.03
技术公布日：2023/4/18