劉 安，馮金富，廖保全，李永利，郭桃平

(1. 空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安 710038；2. 中國(guó)人民解放軍 95380部隊(duì)，廣東 湛江 524000)

研究綜述

旋翼類飛行潛航器的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)

劉 安1，馮金富1，廖保全1，李永利1，郭桃平2

(1. 空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安 710038；2. 中國(guó)人民解放軍 95380部隊(duì)，廣東 湛江 524000)

飛行潛航器（Unmanned Aerial Underwater Vehicle，UAUV）在水空搜救、水下結(jié)構(gòu)物探測(cè)具有廣闊的應(yīng)用前景。本文通過對(duì)主要飛行器、水下航行器的比較分析，認(rèn)為多旋翼飛行器是目前技術(shù)條件下最適合水空 2 種環(huán)境使用的構(gòu)型。綜述國(guó)內(nèi)外主要旋翼類飛行潛航器（Multi-Rotor Unmanned Aerial Underwater Vehicle，MUAUV）的研究和發(fā)展現(xiàn)狀，分析旋翼類飛行潛航器的特點(diǎn)，論述飛行潛航器發(fā)展急需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

旋翼；飛行；潛航；水空跨越

0 引 言

飛行潛航器又稱為跨介質(zhì)飛行器、水空兩棲飛行器、潛水飛機(jī)和飛行潛艇等[1–4]，是指能夠多次跨越水空界面且能持續(xù)航行，重復(fù)使用的新型航行器。它不同于潛射導(dǎo)彈、空投魚雷等單次水空介質(zhì)“穿越”的航行器，不僅具有空中飛行能力和水下航行能力，而且具有連續(xù)多次自由穿越水空界面的能力。由于其廣闊的軍民用價(jià)值[2]已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

受制于水空環(huán)境的巨大差異，選擇合適的機(jī)身結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)飛行潛航器的關(guān)鍵。據(jù)已有文獻(xiàn)記載，已使用過固定翼（見圖 1）、變后掠翼（見圖 2）、撲翼、四旋翼等多種形式。下面從飛行器結(jié)構(gòu)、適用性等多方面分析現(xiàn)有航空器水下航行，現(xiàn)有水下航行器空中飛行的可行性。

固定翼飛機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)的推動(dòng)下，借助流經(jīng)機(jī)翼上下表面的穩(wěn)定氣流產(chǎn)生的升力實(shí)現(xiàn)空中飛行。飛行過程平穩(wěn)，續(xù)航能力較好，飛行效率高。固定翼飛行器具有優(yōu)異的空中飛行性能，但提供升力的機(jī)翼嚴(yán)重阻礙了其水下航行。有研究提出了變后掠翼、折疊翼等方案[5–6]，將機(jī)翼折疊收入機(jī)身，但需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

直升機(jī)通過旋轉(zhuǎn)的旋翼產(chǎn)生克服飛機(jī)重力的升力，具有優(yōu)異的垂直起降和懸停性能。直升機(jī)旋翼和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，上千個(gè)活動(dòng)部件通過復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)連接在一起，使得直升機(jī)故障率高，維護(hù)性差。

傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)與固定翼相比，擁有較為復(fù)雜的傾轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，開發(fā)、維護(hù)、使用成本較高。傾轉(zhuǎn)旋翼飛機(jī)具備較好的操控性，具備垂直起飛、著陸和低空懸停性能。

多旋翼飛行器通過控制多個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速進(jìn)而調(diào)整旋翼產(chǎn)生的升力實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器飛行的控制，飛行穩(wěn)定，操控性能好。盡管當(dāng)前多旋翼是飛行器發(fā)展的熱門，但是多旋翼飛行器能量效率低，續(xù)航時(shí)間短，大量研究和開發(fā)的也只是一些小型多旋翼飛行器[8]。

飛艇是一種輕于空氣的飛行器。通常在巨大的氣囊內(nèi)部填充密度比空氣小的氣體，現(xiàn)在使用較多的是氦氣。飛艇飛行過程能量消耗少，無(wú)噪聲干擾，能夠懸浮在空中。但是飛艇體積大，比空氣輕，很難應(yīng)用于水下航行。

撲翼飛行器是一種模仿昆蟲或鳥類飛行的新型飛行器[9–10]，控制靈活，低雷諾數(shù)下控制效率較高。撲翼飛行器負(fù)載能力較低，動(dòng)力學(xué)模型復(fù)雜，撲翼的結(jié)構(gòu)、材料還有待于進(jìn)一步研究。

在水下航行器方面：一種是具有流線型外形的水下航行器，它們通常具有封閉的結(jié)構(gòu)，類似魚雷或者潛艇的流線型外形。這類水下航行器負(fù)載能力較強(qiáng)，水下航行速度較高，能量消耗相對(duì)較大[11]。另一種是不具有流線型外形的水下航行器，這一類通常是遙控水下潛器，具有開放的結(jié)構(gòu)，水下航行速度阻力大，航行速度小。這類航行器通常比飛行器甚至流線型水下航行器重很多，空中飛行難度較大。

通過以上分析，選出固定翼飛機(jī)、直升機(jī)、多旋翼飛行器、撲翼飛行器、水下航行器（主要指具有流線型外形的水下航行器，如魚雷、潛艇等），根據(jù)已有的研究[12]和經(jīng)驗(yàn)從空中飛行可控性、水下航行可控性、負(fù)載能力、續(xù)航能力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易程度、懸停性能、環(huán)境適應(yīng)性能、空氣動(dòng)力學(xué)建模、水動(dòng)力學(xué)建模、附加質(zhì)量（水）、水空跨越敏捷性、水空跨越可重復(fù)性、可維護(hù)性幾個(gè)方面進(jìn)行量化評(píng)估，分?jǐn)?shù)越高即航行器在該方面性能越好，評(píng)估結(jié)果如表 1 所示。

表 1 水、空航行平臺(tái)兩棲能力評(píng)估Tab. 1 Aquatic performance evaluation of common aircrafts and underwater vehicles

其中，環(huán)境適應(yīng)性能是指航行器對(duì)發(fā)射（布放）、巡航、回收等使用過程中對(duì)場(chǎng)地自然環(huán)境及配套設(shè)施的要求；附加質(zhì)量主要指航行器水下航行時(shí)，流體環(huán)境對(duì)航行器影響的度量，與流體物理特性、航行體外形、航行速度等有關(guān)；水空跨越敏捷性是指航行器在從空氣到水、水到空氣的準(zhǔn)備時(shí)間。從以上評(píng)估可發(fā)現(xiàn)，多旋翼飛行器機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、環(huán)境適應(yīng)性好、有成熟的空氣動(dòng)力學(xué)模型，是當(dāng)前作為水空跨越航行器的最佳選擇。

1 旋翼類飛行潛航器的發(fā)展

近幾年以四旋翼為主的多旋翼無(wú)人機(jī)異軍突起，打破了直升機(jī)和固定翼飛機(jī)作為無(wú)人機(jī)領(lǐng)域的霸主局面。大疆、零度等新型科技公司開發(fā)的多旋翼飛控、多旋翼無(wú)人機(jī)一體機(jī)以其穩(wěn)定的飛行性能和簡(jiǎn)便的操縱性能，大大降低了航空攝影的難度和成本。

2014 年，一些航模愛好者制造出了幾種防水的多旋翼飛行器，較為經(jīng)典的有國(guó)外工程師開發(fā)的 Mariner防水四旋翼[13]，浙江大學(xué)學(xué)生錢晨輝制作的“不怕水的四旋翼”[14]，泰國(guó)公司研制的 QuadH2O 防水四旋翼和 HexH2O 海面運(yùn)動(dòng)六旋翼[15]等。這些多旋翼不僅能夠在空中飛行，而且能夠降落在水面及從水面起飛，但它們并不能進(jìn)行水下航行。

2014 年 9 月，Paulo Drews-Jr 提出了基于四旋翼平臺(tái)的無(wú)人兩棲航行器（Hybrid Unmanned Aerial Underwater Vehicle，HUAUV）[12]。該航行器使用 4 個(gè) 4 葉螺旋槳用于水下推進(jìn)，4 個(gè)2葉空氣螺旋槳用于空中飛行（見圖11）。Paulo Drews-Jr 在分析多種飛行器結(jié)構(gòu)之后認(rèn)為，多旋翼是實(shí)現(xiàn)水空兩棲航行器的最佳結(jié)構(gòu)。Paulo Drews-Jr 建立該航行器的仿真模型，并對(duì)水空跨越過程進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)在水空跨越飛行的可靠性。

2015 年，奧克蘭大學(xué)學(xué)者 Hamzeh Alzu’bi 研制出了基于四旋翼結(jié)構(gòu)的水空兩棲航行器并嘗試通過單層的空氣螺旋槳實(shí)現(xiàn)空中和水下的驅(qū)動(dòng)[16–17]。該航行器空中飛行和水下航行均使用單層螺旋槳，借助由水深傳感器和排注水變浮力裝置組成的深度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)航行器潛水深度。Hamzeh Alzu’bi 搭建了螺旋槳實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)定距空氣螺旋槳?dú)鈩?dòng)/水動(dòng)性能進(jìn)行了研究。通過仿真和試驗(yàn)研究結(jié)果表明，空氣螺旋槳低速（約 180 r/min）水下工作時(shí)能夠滿足航行器水下機(jī)動(dòng)的動(dòng)力。Hamzeh Alzu’bi 最終選擇了 8 in 螺距為 3.8 in的定距空氣螺旋槳制造出了圖 12 所示的兩棲四旋翼進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。經(jīng)過多次改進(jìn)之后，研制出圖 13 所示名為 Looncopter 的兩棲無(wú)人機(jī)。該研究團(tuán)隊(duì)表示，Looncopter 可以為水上運(yùn)動(dòng)者提供水下視角，用于水下搜救或檢測(cè)。

同一年，羅格斯大學(xué)發(fā)布了在美國(guó)海軍資助下研制的“Naviator”（領(lǐng)航者）水空多旋翼兩棲航行器。Naviator 采用雙層共軸八旋翼設(shè)計(jì)，8 個(gè)旋翼均使用小尺寸的空氣螺旋槳，能夠較好地實(shí)現(xiàn)空中飛行、水下航行和水空無(wú)縫跨越[18]。限于水空通信障礙，Naviator通過電纜與水面的信號(hào)接收裝置連接在一起，羅格斯大學(xué)的研究者正考慮借助聲脈沖對(duì) Naviator 實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制。即使擁有 8 個(gè)旋翼，但由于旋翼尺寸較小，Naviator 飛行速度低、負(fù)載能力差也是研究團(tuán)隊(duì)亟待攻克的難題。

空軍工程大學(xué)提出以四旋翼的“X”開放結(jié)構(gòu)來滿足飛行潛航器的水下耐壓和空中飛行質(zhì)量輕的要求；以雙層四旋翼布局使用上下層推力接力的方式完成飛行、潛航、水空跨越過程[19]，并先后提出了 3 種機(jī)身結(jié)構(gòu)方案（見圖15）。

方案 1 采用鋁合金機(jī)架，4 根鋁合金方管呈 90° 交叉布置，耐壓水密艙在機(jī)身下方，水空動(dòng)力單元背向安裝；方案 2 采用碳纖維管機(jī)架，質(zhì)量輕，強(qiáng)度高。上下層間距通過 4 根鋁合金立柱調(diào)整，水空動(dòng)力單元同向布置；方案 3 采用 3D 打印機(jī)身，8 個(gè)懸臂從機(jī)身伸出整體成型，控制電路、元器件集中安裝在機(jī)身內(nèi)，電路走線也在懸臂內(nèi)，整體美觀?；诜桨?1 研制水空兩棲飛行器使用超短波破解水空通信障礙，實(shí)現(xiàn)了淡水淺水域的無(wú)線通信，基于 Labview 搭建了飛行參數(shù)地面顯示系統(tǒng)。

2 旋翼類飛行潛航器的特點(diǎn)

旋翼類飛行潛航器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不用依賴復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)變形來適應(yīng)水空環(huán)境。

旋翼類飛行潛航器入水相對(duì)容易，在出水時(shí)與其他類型的航行器動(dòng)力“沖”出水面[20–21]相比，不要求具備較大的初始出水速度。但必須保證空氣螺旋槳完全處于空氣中，通過空氣螺旋槳的升力將航行器“拔”出水面。如果出水過程中，高速旋轉(zhuǎn)的螺旋槳一旦碰觸水面，將會(huì)使螺旋槳轉(zhuǎn)速驟然減小，導(dǎo)致航行器劇烈抖動(dòng)、傾覆而出水失敗。為了保持航行器出水過程的穩(wěn)定，研究人員想到了 2 種方式：一是奧克蘭大學(xué)研制的 Looncopter 兩棲無(wú)人機(jī)采用變浮力裝置對(duì)航行器所受浮力狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使航行器漂浮在水面；二是羅格斯大學(xué)的 Naviator 和空軍工程大學(xué)的四旋翼水空兩棲飛行器均采用雙層動(dòng)力裝置，下層動(dòng)力裝置保持航行器在水面處于有利的起飛姿態(tài)。

旋翼類飛行潛航器依靠旋翼提供水下和空中航行的動(dòng)力，空中飛行時(shí)旋翼推重比要持續(xù)保持在1以上才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的控制，空中使用能耗較高。水下航行處于中性浮力狀態(tài)時(shí)，動(dòng)力推進(jìn)效率較高，水下姿態(tài)調(diào)整靈活，適用于狹小區(qū)域。

3 關(guān)鍵技術(shù)與展望

從現(xiàn)有的旋翼類飛行潛航器來看，不管是 Naviator水空航行器還是四旋翼水空兩棲飛行器，這些航行器雖然能完整、重復(fù)實(shí)現(xiàn)空中飛行、入水跨越、水下航行、出水跨越全部過程，但離真正的實(shí)際應(yīng)用還面臨很多挑戰(zhàn)。

3.1 水空跨越關(guān)鍵技術(shù)

進(jìn)一步完善水空跨越機(jī)理、水空界面物理特性研究是實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)出水、入水的前提。出入水過程伴隨著空泡、沖擊等復(fù)雜的流固耦合現(xiàn)象，當(dāng)前的研究?jī)H僅建立在相對(duì)簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上。理論上，要想建立精準(zhǔn)的控制模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)航行器的準(zhǔn)確控制，水空跨越機(jī)理研究是其前提；技術(shù)上，不管是在水下航行器集成空中飛行能力，還是在飛行器上集成水下潛航本領(lǐng)都具有極大的開創(chuàng)性，都需要對(duì)水空跨越物理現(xiàn)象進(jìn)行深入研究。

3.2 自主控制技術(shù)

無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展終將走向智能化方向，由于水空通信障礙，飛行潛航器的水下智能控制顯得尤為重要。高度智能化的飛行潛航器不僅僅能夠完成簡(jiǎn)單的空中飛行、水下航行，還能夠根據(jù)環(huán)境和面臨的威脅自主決策水空跨越時(shí)機(jī)，自主完成水空跨越。

3.3 動(dòng)力能源技術(shù)

續(xù)航時(shí)間短作為多旋翼飛行器的短板之一，嚴(yán)重限制了多旋翼飛行器的推廣使用。旋翼類飛行潛航器空中飛行時(shí)，自重大，旋翼效率低。增加續(xù)航時(shí)間，擴(kuò)展飛行潛航器工作區(qū)域必須破解新型能源技術(shù)，開發(fā)高效率太陽(yáng)能電池，氫燃料電池等新型燃料電池。

3.4 水空傳感器技術(shù)

飛行潛航器在飛行、潛航、跨越、執(zhí)行任務(wù)等過程中需要精確的姿態(tài)反饋，每個(gè)控制動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)都嚴(yán)重依賴各種傳感器的可靠工作。由于工作環(huán)境的不同，飛行潛航器需要適應(yīng)水空 2 種環(huán)境的傳感器，對(duì)傳感器小型化、低耗能、智能化提出了較高要求。新型傳感器、多傳感器信息融合等技術(shù)是航行器智能化的前提。

3.5 水空通信技術(shù)

復(fù)雜多變的水下環(huán)境，水介質(zhì)對(duì)電磁波的衰減使得水下無(wú)線通信受到了極大的限制。實(shí)現(xiàn)高效率的信息交互必須把握有限的空中飛行時(shí)間，研究實(shí)時(shí)、高效的水空通信策略；研究微小型化的水聲通信設(shè)備，實(shí)現(xiàn)水下環(huán)境的遠(yuǎn)距離高速通信。

3.6 多機(jī)編隊(duì)組網(wǎng)

單個(gè)旋翼類飛行潛航器負(fù)載能力、搜索范圍有限，面對(duì)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境難免因各種意外出現(xiàn)損傷而導(dǎo)致任務(wù)無(wú)法完成。多機(jī)組網(wǎng)可以完成單一航行器難以完成的任務(wù)，特別是在面對(duì)大面積海域探測(cè)、水文條件復(fù)雜等特殊條件下的任務(wù)，因此，多機(jī)組網(wǎng)編隊(duì)使用是未來的重要發(fā)展方向。編隊(duì)內(nèi)信息共享，應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況，有效提高系統(tǒng)冗余能力、生存率和任務(wù)完成效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

飛行潛航器的研制和開發(fā)是一門集流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、控制學(xué)科、材料學(xué)科等于一體的綜合性科學(xué)技術(shù)，具有極大的技術(shù)挑戰(zhàn)性和開拓性，同時(shí)也具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。旋翼類飛行潛航器是目前技術(shù)條件下僅有的能夠完成空中飛行、水下航行、水空跨越的航行器，但仍然面臨著控制模型粗糙，續(xù)航時(shí)間短，水下通信困難等技術(shù)難題。

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Progress and key technologies of multi-rotor unmanned aerial underwater vehicle

LIU An1, FENG Jin-fu1, LIAO Bao-quan1, LI Yong-li1, GUO Tao-ping2
(1. Aeronautics and Astronautics Engineering College, AFEU, Xi’an 710038, China; 2. No. 95380 Unit of PLA, Zhanjiang 524000, China)

Unmanned aerial underwater vehicles have a wide application prospects in the aeronautical and maritime search and rescue, underwater structure detection. Based on the comparison and analysis of the main aircrafts and the underwater vehicles, it is considered that the multi-rotor aircraft is the most suitable configuration for the water and air two environments. This paper summarizes the research and development status of the main multi-rotor unmanned aerial underwater vehicle at home and abroad, analyzes the characteristics of the MUAUV, and briefly discusses the key technologies for the development of the UAUV.

multi-rotor；fly；underwater；water-air transition

U674.941; V275

A

1672–7619(2017)03–0001–06

10.3404/j.issn.1672–7619.2017.03.001

2016–09–09；

2016–11–07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51541905)

劉安(1982–)，男，博士，講師，研究方向?yàn)槲淦飨到y(tǒng)與運(yùn)用工程。