跨介质飞行器设计及流体动力学特性分析

发布时间：2020-06-07 11:04

【摘要】：跨介质飞行器是一种既可以在水中航行,也能在空中飞行的水空两栖飞行器,既能够实现空中的快速部署和高速飞行,也兼具了水中航行的隐蔽性,具有多任务能力和高效突防打击能力。相比无人飞行器,跨介质飞行器有更多的技术难点,结构布局、动力能源以及跨介质方式等是跨介质飞行器设计的难点所在。但是,航空设计、制造以及装配技术的发展推进了跨介质飞行器的设计进程,越来越多的科研机构开始进行关键技术的研究。在江苏省自然科学基金的资助下,本文课题设计了一种融合仿生鱼鳍和涵道螺旋桨的跨介质飞行器,分别使用仿生环形胸鳍和涵道螺旋桨作为水下和空中的推进器,兼具了水中航行的隐蔽性和空中飞行的机动性。本文在飞行器“总体设计—理论分析验证—详细设计与样机研制”设计思路的指导下,进行了跨介质飞行器的总体设计,以及对设计的跨介质飞行器进行空中飞行的气动特性分析和水下游动的水动力特性分析,结合原理样机的研制与试验,验证设计的合理性。首先,完成了跨介质飞行器的总体设计。通过分析研究基础——仿生机器沖鱼的设计特点,结合跨介质飞行器的设计思路,决定采用仿生环形胸鳍融合涵道螺旋桨的总体设计方案。在总体技术要求下,进行飞行器总体设计。在初步选取跨介质飞行器涵道螺旋桨系统以及水下胸鳍推进系统总体参数的基础上,通过性能计算与理论分析实现对参数的合理性验证与优化。其次,分析了跨介质飞行器空中飞行的气动特性以及水下航行的水动力特性。流体动力学特性的好坏直接关系到跨介质飞行器整机的操纵性能,所以对其进行流体动力学特性的研究有着十分重要的意义。其中,气动分析主要使用动量源方法,对孤立螺旋桨、涵道螺旋桨以及整体涵道螺旋桨系统进行飞行性能的数值计算与研究;水动力分析主要针对仿生环形胸鳍推进下的动态特性,编写了用于计算整体推进力的UDF程序,利用动网格技术实现胸鳍推进下的跨介质飞行器水下游动仿真,并分析了鳍面压力分布、波动长鳍产生的涡量等流场信息以及参数对游动性能的影响。通过对飞行器在两种介质中运动的流体动力学特性研究,来分析两个推进器的性能并验证设计的合理性。最后,研制了跨介质飞行器原理样机并完成了相关试验。根据总体参数,以及选取的主要部件结构参数和特征,进行跨介质飞行器详细设计,主要包括涵道螺旋桨系统和仿生胸鳍波动系统的结构设计。对制作的原理样机进行仿生环形胸鳍推进的水下游动试验,分析了胸鳍推进力和运动速度等游动性能以及胸鳍波动参数对游动性能的影响;针对涵道螺旋桨进行了螺旋桨拉力测试以及空中悬停系留试验,验证了其实际工作性能;同时进行了水面系留试验,为后续的研究提供参考。
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图 1.1 Cormorant 仿生跨介质飞行器rgen 公司也研发了一款从潜艇发射的跨介质飞桅杆中弹射发出，出水面后，展开机翼，螺旋也是执行单次任务后，需要回收才能进行下一图 1.2 Sea Sentry 跨介质飞行器将 AeroVironment 公司的弹簧刀无人机（Swiwitchblade）使用发射筒进行弹射起飞，弹射动的螺旋桨进行推进。Switchblade 重 6.8kg，与侦查，也可以对个人目标实施打击。所以，，的改进设计。执行任务时，将发射筒抛出，发

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跨介质飞行器设计及流体动力学特性分析承受 46 米深的水压，在潜艇发射管道中时，艇释放，使用火箭推进器加速出水，实现水到涡扇发动机推进。Cormorant 完成任务后，降落rmorant 项目由于技术难度以及研发成本等问题图 1.1 Cormorant 仿生跨介质飞行器orgen 公司也研发了一款从潜艇发射的跨介质飞桅杆中弹射发出，出水面后，展开机翼，螺旋也是执行单次任务后，需要回收才能进行下一
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V22;O35

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