變形仿生飛翼跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)外形設(shè)計(jì)與航行仿真

呂 達(dá),蘇浩秦，2,李 筠,張子俊, 龍 浩，馬 宇，劉曉偉

(1.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院， 北京 100074；2.彩虹無(wú)人機(jī)科技有限公司， 北京 100074； 3.北京聯(lián)合大學(xué) 北京市信息服務(wù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100101； 4.北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)器人學(xué)院， 北京 100027)

1 引言

水空兩棲跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)是一種同時(shí)擁有水中、空中運(yùn)動(dòng)能力的無(wú)人機(jī)，且其能通過(guò)自身能量及驅(qū)動(dòng)裝置多次跨越水、空兩種介質(zhì)。水空跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)具備了水下航行器的隱蔽性以及空中無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性，能同時(shí)完成水中及空中的作業(yè)及作戰(zhàn)任務(wù)，得到了各國(guó)研究人員的廣泛關(guān)注，是無(wú)人系統(tǒng)裝備發(fā)展的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)有的跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)主要可分為仿生滑翔跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)、變形跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)、多旋翼跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)、仿生撲翼跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)等。目前，已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)進(jìn)展或?qū)崿F(xiàn)跨介質(zhì)航行的無(wú)人機(jī)項(xiàng)目主要有如下：美國(guó)海軍的“鸕鶿”水下發(fā)射跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)[1]，該項(xiàng)目計(jì)劃將無(wú)人機(jī)通過(guò)潛射導(dǎo)彈發(fā)射筒發(fā)射，完成任務(wù)后采用減速傘減速并濺落入水，由無(wú)人潛航器回收；MIT的仿飛魚(yú)跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)，該無(wú)人機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)短距離跨介質(zhì)滑翔[2]；Siddall 等[3]設(shè)計(jì)了一款槳式推進(jìn)仿鰹鳥(niǎo)兩棲飛行器AquaMav，采用噴射方式從水下起飛，采用鰹鳥(niǎo)濺落式入水；Zufferey等[4]在AquaMAV的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新一代跨介質(zhì)航行器，不同之處在于新樣機(jī)利用化學(xué)反應(yīng)爆炸而不是高壓氣體來(lái)完成噴水動(dòng)作，重點(diǎn)對(duì)出水過(guò)程進(jìn)行了驗(yàn)證。Lu等[5]提出一種跨介質(zhì)旋翼固定翼復(fù)合飛行器“哪吒”，具備垂直起降、平飛巡航、水下滑翔、水空多次穿越能力。William S等[6]-[7]開(kāi)發(fā)了“鷹鰩”(EagleRay)固定翼跨介質(zhì)航行器，可從水面起飛或潛入水下航行。目前所公開(kāi)的跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)主要存在如下問(wèn)題：?jiǎn)我坏耐庑坞y以滿足水空兩相的航行特點(diǎn)；可實(shí)現(xiàn)的飛行距離一般較短；飛行速度較慢，一般為亞音速；一般為常規(guī)布局，空中隱身效果較差；以單次跨越介質(zhì)模式為主，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多次跨越介質(zhì)；跨越介質(zhì)時(shí)普遍噪聲較大。本文中所設(shè)計(jì)的變形仿生飛翼跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)(deformable bionic flying-wing aerial-aquatic unmanned vehicle，DBFAUV)外形采用飛翼布局，結(jié)合頭部仿生設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)常規(guī)布局跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)更重視隱身能力，且頭部的仿生化設(shè)計(jì)帶來(lái)了更小的入水水花和噪聲，無(wú)尾的布局又能顯著減低無(wú)人機(jī)在水下航行時(shí)的阻力，相比常規(guī)布局的跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)，隱蔽性更好，生存能力更強(qiáng)。通過(guò)CFD計(jì)算了該無(wú)人機(jī)空中飛行和水下航行的流場(chǎng)，驗(yàn)證了該外形設(shè)計(jì)具有良好的氣動(dòng)和水動(dòng)特性。

2 變形仿生飛翼跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)外形設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的航空飛行器以及水下航行器在外形方面存在巨大的差異，這是由于航行介質(zhì)的不同導(dǎo)致的。水的密度以及黏度都大大高于空氣，根據(jù)相似原理，同樣的外形在相同速度下在水中航行產(chǎn)生的升力是空中的14倍，因此，跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)在空中需保持較高速度飛行，在水中需保持較低的速度和較大的負(fù)攻角航行，然而，較大的負(fù)攻角所導(dǎo)致的誘導(dǎo)阻力又使得無(wú)人機(jī)較難在水中航行。借鑒傳統(tǒng)的航空飛行器的外形設(shè)計(jì)，提出了一種兼顧水空兩相航行的變形無(wú)人機(jī)外形，同時(shí)該外形兼顧隱身效果以及入水的穩(wěn)定性和降噪。

該跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)的工作模式為“單次入水，上浮海面回收”，無(wú)人機(jī)由陸地或者軍艦上的發(fā)射裝置發(fā)射，隨后無(wú)人機(jī)開(kāi)始飛行，飛行高度為10～20 km，飛行速度為馬赫數(shù)0.78；到達(dá)預(yù)定位置后，無(wú)人機(jī)開(kāi)始準(zhǔn)備入水。無(wú)人機(jī)入水前減速到30 m/s，且將機(jī)翼外部向下折疊至機(jī)身腹部；入水過(guò)程采用滑翔濺落入水；入水之后機(jī)身翻轉(zhuǎn)180°，折疊后的機(jī)翼產(chǎn)生的負(fù)升力用以抵消浮力，隨后無(wú)人機(jī)開(kāi)始水下作業(yè)，以最大10 m/s的速度航行，任務(wù)完成后上浮至海面完成回收。

該跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)頭部模仿鰹鳥(niǎo)頭部設(shè)計(jì)，以此期望降低在入水時(shí)空泡對(duì)無(wú)人機(jī)的影響，鰹鳥(niǎo)從其鳥(niǎo)喙尖端到頭部的直徑逐漸增大，鰹鳥(niǎo)在入水時(shí)能夠使水流流向身后，濺起少量的入水水花，從而使入水姿態(tài)更容易被控制以及降低入水噪聲。該跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)采用飛翼布局，機(jī)翼采用中等后掠角可折疊變形翼，兼顧空中隱身效果以及水下航行減阻，無(wú)人機(jī)在空中飛行時(shí)，機(jī)翼完全展開(kāi)以增加升力，在水下航行時(shí)，機(jī)翼外部向下折疊至飛機(jī)腹部，減少無(wú)人機(jī)在水下的阻力，同時(shí)，無(wú)尾的設(shè)計(jì)能夠進(jìn)一步減少該無(wú)人機(jī)在水下航行時(shí)受到的阻力。

空中飛行狀態(tài)下的DBFAUV外形如圖1所示，水下航行狀態(tài)的DBFAUV外形如圖2所示。濺落入水時(shí)的DBFAUV外形如圖3所示。

圖1 DBFAUV在空中飛行狀態(tài)下的外形圖Fig.1 Conceptual diagram of the DBFUAV in the air

圖2 DBFAUV在水下航行狀態(tài)下的外形圖Fig.2 Conceptual diagram of the DBFUAV in the water

圖3 DBFAUV在濺落入水時(shí)的外形圖Fig.3 Conceptual diagram of the DBFUAV splashing into the water

3 數(shù)值方法及網(wǎng)格

3.1 計(jì)算模型和網(wǎng)格

本文中所述無(wú)人機(jī)在流體中航行時(shí)，涉及到復(fù)雜的湍流問(wèn)題，采用工程應(yīng)用中較為常用的雷諾平均法，通過(guò)引入湍流模型封閉方程組，求解湍流要素的時(shí)均值。

本文中網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，計(jì)算域設(shè)置為長(zhǎng)為16 m，半徑為6 m的圓柱體，無(wú)人機(jī)頂端距計(jì)算域入口6 m。并且對(duì)無(wú)人機(jī)頭部、尾部、機(jī)翼等曲率變化較大的位置進(jìn)行加密處理，且對(duì)機(jī)翼后緣、水下機(jī)翼折疊處等流場(chǎng)參數(shù)變化劇烈的區(qū)域進(jìn)行加密處理。圖4為該跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)空中狀態(tài)下的網(wǎng)格劃分及壁面Y+分布云圖，圖5為水下?tīng)顟B(tài)的網(wǎng)格劃分及壁面Y+分布云圖，空中狀態(tài)下的網(wǎng)格數(shù)量約為700萬(wàn)，水下?tīng)顟B(tài)的網(wǎng)格數(shù)量約為800萬(wàn)?？罩袪顟B(tài)的壁面法向網(wǎng)格第一層的高度定為0.000 001 6，邊界層總高度為0.001，水下?tīng)顟B(tài)的壁面法向網(wǎng)格第一層的高度定為0.000 002 8，邊界層總高度為0.001，經(jīng)檢驗(yàn)，本文中所述2種狀態(tài)下的網(wǎng)格的近壁面處的Y+值均在1以下。

圖4 DBFAUV在空氣介質(zhì)中的網(wǎng)格及Y+分布云圖Fig.4 Mesh generation of the DBFAUV in the air phase and the contour of wall Y+

圖5 DBFAUV在海水介質(zhì)中的網(wǎng)格及Y+分布云圖Fig.5 Mesh generation of the DBFAUV in the water phase and the contour of wall Y+

3.2 控制方程

本文中所涉及到的控制方程主要包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。文獻(xiàn)[1]給出其通用形式如下，

(1)

3.3 湍流模型

選取基于SST(Shear stress transport)的k-ω方程模型，其考慮了湍流剪切應(yīng)力的傳播，能夠很好的處理近壁面處低雷諾數(shù)的數(shù)值計(jì)算，并且同樣具備k-ω模型對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，其對(duì)于不同界面的處理具有較好的適應(yīng)性，收斂效果好。

k-ω模型求解了2個(gè)運(yùn)輸方程，分別為湍動(dòng)能方程和湍流頻率方程：

(2)

(3)

式中：Pk為層流產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；σk和σω分別為湍動(dòng)能方程和湍流頻率方程的湍流能量普朗特?cái)?shù)，湍流黏度μt與湍動(dòng)能和湍流頻率有關(guān)，其關(guān)系式為：

(4)

3.4 邊界條件

無(wú)人機(jī)壁面采用無(wú)滑移壁面，采用亞松弛因子默認(rèn)值計(jì)算初場(chǎng)。流體入口的邊界類型為壓力遠(yuǎn)場(chǎng)條件。選擇笛卡爾坐標(biāo)系速度分量定義方式，速度分量隨無(wú)人機(jī)攻角變化而變化。

首先對(duì)無(wú)人機(jī)空中氣動(dòng)特性進(jìn)行研究，選擇基于密度的隱式求解器，計(jì)算域內(nèi)介質(zhì)為空氣，表壓設(shè)定為101.33 kPa，合速度大小分別設(shè)置為馬赫數(shù)0.5，0.65和0.78。

對(duì)無(wú)人機(jī)水下水動(dòng)特性進(jìn)行研究時(shí)，選擇基于壓力的隱式求解器，計(jì)算域內(nèi)介質(zhì)設(shè)置為海水，表壓設(shè)置為160 kPa，合速度大小分別設(shè)置為1 m/s，5 m/s，10 m/s。

圖6為無(wú)人機(jī)在空中以馬赫數(shù)0.78的速度0°攻角飛行時(shí)的表面壓力云圖。由圖中可以看出，無(wú)人機(jī)頭部、翼前緣形成高壓區(qū)，機(jī)身中部及翼中部產(chǎn)生低壓區(qū)，與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)相符。圖7為流場(chǎng)剖面速度云圖，由圖中可看出，飛機(jī)背部中段局部速度較高，從而產(chǎn)生較大升力。

圖6 DBFAUV在空中飛行時(shí)的表面壓力云圖 (馬赫數(shù)0.78，攻角為0°)Fig.6 Surface pressure contour of the DBFAUV at the speed of Mach Number 0.78 with 0° attack angles

圖7 DBFAUV在空中飛行時(shí)的流場(chǎng)剖面速度云圖 (馬赫數(shù)0.78，攻角為0°)Fig.7 Velocity contour of the flow field at the speed of Mach Number 0.78 with 0° attack angle

4 計(jì)算結(jié)果分析

本文中計(jì)算了無(wú)人機(jī)空中飛行時(shí)速度在馬赫數(shù)0.5，0.65，0.78下，攻角在-15°變化到15°共27個(gè)狀態(tài)之下的流場(chǎng)。計(jì)算了無(wú)人機(jī)在水下航行時(shí)在1 m/s，5 m/s，10 m/s的航行速度下，攻角在-30°變化到30°共39個(gè)狀態(tài)之下的流場(chǎng)。

圖8為該DBFAUV在空氣中的阻力系數(shù)隨攻角變化曲線，由圖可以看出：阻力系數(shù)的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)一小的負(fù)攻角，阻力基本上以最小點(diǎn)處成對(duì)稱分布，且阻力在-5°到5°攻角范圍之內(nèi)變化平緩，當(dāng)攻角小于-5°或超過(guò)5°時(shí)，DBFAUV的阻力急劇上升，這是由于其迎風(fēng)面積的增加造成的。

圖8 DBFAUV空氣中的阻力系數(shù)隨攻角變化曲線Fig.8 Drag coefficient curve of the DBFAUV in the air with attack angle

圖9為該DBFAUV在空氣中的升力系數(shù)隨攻角變化曲線，由圖可以看出：升力系數(shù)隨攻角的增加而增加，且在攻角超過(guò)12°之后變化平緩。升力系數(shù)的零點(diǎn)對(duì)應(yīng)一小的負(fù)攻角，約為-4°。0°攻角時(shí)飛機(jī)產(chǎn)生正升力，且在攻角較小時(shí)，即可產(chǎn)生較大升力。

圖9 DBFAUV空氣中的升力系數(shù)隨攻角變化曲線Fig.9 Lift coefficient curve of the DBFAUV in air with attack angles

圖10為該DBFAUV在空氣中的升阻比隨攻角變化曲線，由圖可以看出：當(dāng)攻角到達(dá)4°左右時(shí)，升阻比達(dá)到最大，因此，根據(jù)航程計(jì)算公式，保持攻角在4°左右小范圍內(nèi)變化是減小阻力增大航程的關(guān)鍵。

圖10 DBFAUV空氣中的升阻比隨攻角變化曲線Fig.10 Lift to drag ratio curve of the DBFAUV in air with attack angles

圖11為無(wú)人機(jī)在水中以5 m/s的速度0°攻角航行時(shí)的表面壓力云圖。由圖中可以看出，無(wú)人機(jī)的頭部、翼前緣、翼后緣以及翼折疊處形成高壓區(qū)，無(wú)人機(jī)的上翼面前部，下翼面中部產(chǎn)生低壓區(qū)，與實(shí)際的工程經(jīng)驗(yàn)較為相符。圖12為流場(chǎng)剖面速度云圖，由圖中可看出，在實(shí)際航行過(guò)程中，由于無(wú)人機(jī)在水下翻轉(zhuǎn)180°航行，在翼折疊后無(wú)人機(jī)下表面中段的流體流速較高，從而產(chǎn)生向下的升力。

圖11 DBFAUV在水中以5 m/s的速度0°攻角 航行時(shí)的表面壓力云圖Fig.11 Surface pressure contour of the DBFAUV sailing in water at a speed of 5 m/s with 0° attack angle

圖12 DBFAUV在水中以5 m/s的速度0°攻角 航行時(shí)的流場(chǎng)剖面速度云圖Fig.12 Velocity contour of the flow field at a speed of 5 m/s with 0° attack angle

圖13為該DBFAUV在水中翻轉(zhuǎn)與不翻轉(zhuǎn)航行時(shí)的阻力系數(shù)隨攻角變化曲線，由圖可以看出：該無(wú)人機(jī)在翻轉(zhuǎn)180°航行時(shí)，當(dāng)攻角為2°左右時(shí)，DBFAUV所受阻力最小，且當(dāng)攻角在2°到4°之間時(shí)，阻力系數(shù)幾乎無(wú)變化。當(dāng)無(wú)人機(jī)處于負(fù)攻角時(shí)的阻力系數(shù)曲線變化相比正攻角時(shí)更為平緩。且阻力在0°到5°攻角范圍之內(nèi)變化較小，當(dāng)攻角小于0°或超過(guò)5°時(shí)，DBFAUV的阻力系數(shù)開(kāi)始快速上升，這是由于其迎風(fēng)面積的增加造成的。因此，保持攻角在2°到4°之間變化是減小水下阻力的關(guān)鍵。

圖13 DBFAUV在水中翻轉(zhuǎn)與不翻轉(zhuǎn)的阻力系數(shù) 隨攻角變化曲線Fig.13 Drag coefficient curve of the DBFAUV in water with attack angles

圖14為該DBFAUV在水中翻轉(zhuǎn)與不翻轉(zhuǎn)航行時(shí)的升力系數(shù)隨攻角變化曲線，由圖可以看出：該無(wú)人機(jī)在翻轉(zhuǎn)180°航行時(shí)，該無(wú)人機(jī)的升力系數(shù)隨攻角的增加而減小，大體上成線性變化。零升力攻角約為5°。0°攻角時(shí)飛機(jī)產(chǎn)生負(fù)升力，且在攻角在5°左右進(jìn)行小范圍變化時(shí)，產(chǎn)生的升力較小，同時(shí)阻力也較小，故可以通過(guò)控制攻角在5°左右來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)在水下的配平與減阻。

圖14 DBFAUV在水中翻轉(zhuǎn)與不翻轉(zhuǎn)的升力系數(shù) 隨攻角變化曲線Fig.14 Lift coefficient curve of the DBFAUV in water with attack angles

此外，不難看出，若該無(wú)人機(jī)在水下翻轉(zhuǎn)180°航行，升力與浮力配平后其受到的阻力將更小。這是由于該無(wú)人機(jī)的密度小于水的密度，以所述DBFAUV為例，其在水下存在正浮力ΔB=200 N，若要配平升力和正浮力，則該無(wú)人機(jī)需要產(chǎn)生的負(fù)升力大小為-ΔB=-200 N，則當(dāng)無(wú)人機(jī)翻轉(zhuǎn)180°時(shí)，則可推得其在航行速度為10 m/s時(shí)的升力系數(shù)為-0.002，由圖14可得其配平攻角為4.8°，其對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)為0.020 5，同理可得當(dāng)無(wú)人機(jī)不翻轉(zhuǎn)時(shí)，配平攻角為5.3°，則其對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)為0.021 3，翻轉(zhuǎn)相比不翻轉(zhuǎn)阻力系數(shù)減小了3.8%，從而可看出當(dāng)該無(wú)人機(jī)在水下翻轉(zhuǎn)航行能降低其阻力。

5 DBFAUV的航行動(dòng)力學(xué)仿真

上文中描述了DBFAUV的外形設(shè)計(jì)和其基本的氣動(dòng)和水動(dòng)特性。然而，為了研究該跨介質(zhì)無(wú)人機(jī)外形在實(shí)際飛行狀態(tài)下的機(jī)動(dòng)性和操控性，對(duì)該飛行器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真是十分必要的。

設(shè)計(jì)用于該DBFAUV的組合式操縱系統(tǒng)，包括3對(duì)舵，分別為升降舵、副翼1以及副翼2。DBFAUV在空中飛行時(shí)，采用Bank to turn(BTT)傾斜轉(zhuǎn)彎技術(shù)，通過(guò)3種舵機(jī)的聯(lián)動(dòng)傾斜機(jī)身，靠升力來(lái)改變方向，且靠升降舵來(lái)控制高度，其控制系統(tǒng)的舵面組成如圖15所示。DBFAUV在水下航行時(shí)，副翼1與副翼2組合成一個(gè)開(kāi)合式襟翼，通過(guò)該開(kāi)合式翼控制飛行器的方向，采用Side to turn(STT)側(cè)滑控制技術(shù)直接通過(guò)“擺動(dòng)”來(lái)控制方向，且與空中飛行類似，DBFAUV在水下靠升降舵來(lái)控制深度，水下控制系統(tǒng)的舵面組成如圖16所示。

圖15 DBFAUV在空中飛行時(shí)的舵面組成示意圖Fig.15 Composition of control surface of DBFAUV in the air

圖16 DBFAUV在水中航行時(shí)的舵面組成示意圖Fig.16 Composition of control surface of DBFAUV in the water

通過(guò)CFD以及工程估算法得到該DBFAUV在飛行狀態(tài)下的氣動(dòng)數(shù)據(jù)以及水下航行時(shí)的水動(dòng)數(shù)據(jù)[10]。在Simulink中采用S-函數(shù)建立其2種狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)模型[11]，如圖17所示。采用PID控制技術(shù)設(shè)計(jì)空中飛行以及水下航行的控制系統(tǒng)[12]，用以測(cè)試該飛行器在2種狀態(tài)下的機(jī)動(dòng)和操控性能，無(wú)人機(jī)在空氣中和水下的舵效由CFD方法獲得。無(wú)人機(jī)的總體數(shù)據(jù)和仿真過(guò)程中的基本信息如表1所示。無(wú)人機(jī)在空氣中的舵效信息如表2所示，無(wú)人機(jī)在水中的舵效信息如表3所示。

圖17 采用S-函數(shù)的DBFAUV的動(dòng)力學(xué)仿真模型示意圖 Fig.17 Dynamic simulation model of the DBFAUV using S-Function

表1 無(wú)人機(jī)的總體數(shù)據(jù)及仿真基本信息設(shè)置Table 1 General data and basic simulation information setting of the DBFAUV

表2 無(wú)人機(jī)在空氣中的舵效信息

表3 無(wú)人機(jī)在水中的舵效信息

圖18為該DBFAUV在空中以200 m/s的速度下，高度從距離海平面200 m下降到170 m，且同時(shí)偏航角由正北0°變?yōu)楸逼?0°時(shí)的高度變化曲線°，圖19為該過(guò)程的偏航角變化曲線。由圖可看出，本文中所設(shè)計(jì)的飛行器在空中可以通過(guò)升降舵的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)縱向高度的變化，以及通過(guò)升降舵與副翼的配合以傾斜轉(zhuǎn)彎的方式實(shí)現(xiàn)航向的變化，且高度調(diào)整以及偏航角變化較為精準(zhǔn)迅速，超調(diào)量小，故該無(wú)人機(jī)在空中操縱性較好。

圖18 DBFAUV在空中的高度變化曲線Fig.18 Height curve of the DBFAUV in the air

圖19 DBFAUV在空中的偏航角變化曲線Fig.19 Pitch angle curve of the DBFAUV in the air

圖20為該DBFAUV在水下以10 m/s的速度下，深度從距離海平面200 m上升到170 m，且同時(shí)偏航角由正北0°變?yōu)楸逼?0°時(shí)的深度變化曲線，圖21為該過(guò)程的偏航角變化曲線。由圖可看出，本文中所設(shè)計(jì)的飛行器在水中可以通過(guò)升降舵的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)縱向深度的變化，以及通過(guò)開(kāi)合翼以側(cè)滑轉(zhuǎn)彎的方式實(shí)現(xiàn)航向的變化，深度以及偏航角的改變過(guò)程均在15 s內(nèi)完成，且無(wú)超調(diào)，證明該無(wú)人機(jī)在水下操縱較為靈活且平穩(wěn)。

圖20 DBFAUV在水中的深度變化曲線Fig.20 Depth curve of the DBFAUV in the water

圖21 DBFAUV在水中的偏航角變化曲線Fig.21 Pitch angle curve of the DBFAUV in the water

6 結(jié)論

1) 所設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)在空中飛行時(shí)具有良好的升阻特性，攻角較小時(shí)阻力較小，升阻比較大。且該無(wú)人機(jī)能夠通過(guò)變形獲得較好的水下航行能力，其水下阻力在小攻角時(shí)較小，且其變形后的機(jī)翼提供的升力能夠抵消無(wú)人機(jī)的正浮力，能夠達(dá)到氣動(dòng)性能和水動(dòng)性能的良好平衡。

2) 所設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)密度比水小，需要利用飛機(jī)產(chǎn)生的升力抵消正浮力，使無(wú)人機(jī)在水下翻轉(zhuǎn)180°航行，可利用升力抵消正浮力獲得更小的航行阻力，增大航程。

3) 所設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)在空中能夠通過(guò)升降舵和兩組副翼的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制高度以及航向，在水下能夠通過(guò)升降舵和由副翼組成的開(kāi)合式翼分別控制深度和航向，在2種介質(zhì)中的機(jī)動(dòng)性與操控性均達(dá)到平衡。

4) 作者將在以后重點(diǎn)研究該無(wú)人機(jī)在入水過(guò)程中進(jìn)一步減少水花以及降低噪音等問(wèn)題。