水空跨介质航行器发展需求及其关键技术

针对未来军事竞争与对抗呈现多介质空间的体系对抗,而现有航行器平台仍大多局限于单一介质空间运行环境的现状,突破传统航行器定式,提出具有多介质航行能力的水空跨介质航行器概念,介绍了研究背景和发展此类航行器的必要性,分析了规划和发展过程中的关键技术,并对今后的发展思路进行了展望。

仿翠鸟水空跨介质航行器设计与入水分析

为了满足水空跨介质航行器的推进需求,精简其动力系统,仿翠鸟设计由单一动力源驱动的水空跨介质航行器.通过计算流体力学(CFD)软件仿真分析入水高度、入水角度和航行器密度等关键影响因素对航行器入水速度、深度和冲击加速度等动力学性能的影响,并与自然界翠鸟的入水性能进行对比.结果表明:在入水角度一定时,增加入水高度将导致航行器所受的冲击加速度增量与入水深度增量的比值增大,从而提高相同条件下对结构强度的要求;在一定范围内航行器密度的增加有利于降低对结构强度的要求;当入水角度约为45°~60°时,所需结构强度最低.在入水深度满足要求的情况下,应适当增大航行器的密度、减小入水高度,且航行器的最佳入水角度为45°~60°.

水空跨介质航行器斜出水过程数值仿真

[目的]水空跨介质航行器(TMAUV)的斜出水过程是一个强非线性、非定常、流场变化剧烈的过程。基于一种可变体的TMAUV的水下构型,利用CFD流体仿真软件,对该构型在典型工况下的出水过程进行数值仿真。[方法]分析航行器在此过程中不同阶段的流场变化特性及其载荷的分布,比较航行器以不同的俯仰角和攻角出水时,在2个典型位置的流体速度场分布和航行器所受流体作用力的特性。[结果]结果表明,航行器倾斜跨越水空界面时两侧的流场和载荷会出现不对称的剧烈变化,俯仰角越大,在水下部分流场受动范围越小,跨越出水部分受影响越大;与零攻角出水相比,航行器带攻角倾斜出水会导致表面所受流体作用力出现高频率、大幅度的反向震荡,影响出水的稳定性。[结论]研究结果可为研究潜射导弹出水、船舶航行、潜艇跨介质等问题提供研究思路和理论参考。

水空航行器跨介质策略研究

水空跨介质航行器(UAUV)在军民领域均有广阔的应用前景,近年来成为机器人领域的热点研究对象。文章详细介绍了现有的仿生式、旋翼式、固定翼式和混合式UAUV样机研制现状,并对其出入水策略进行了综述。总结出UAUV研究中面临的重要问题,包括仿生构型的优化设计、跨介质过程稳定控制以及动力选择等,为后续跨介质航行器的研究发展提供借鉴。

水空跨介质航行器前沿技术进展

随着仿生技术的不断发展,人类对飞鱼、崖海鸦、鲣鸟、飞乌贼等两栖生物的数据观测、仿真建模有了突破性的进展,水空跨介质航行器领域也随之得到飞速发展,但仍然存在一些关键技术难点。按照被仿生对象的种类,对水空跨介质航行器样机的研究进程,以及近年来在机翼结构、水空两栖推进方式等方面取得的进展进行归纳,并从计算机仿真与实验测试的角度,剖析了在对运动学和动力学的研究中所用到的研究方法。结合该领域发展现状,总结了一些关键的技术挑战,并提出跨介质航行器未来的展望。

新型仿生水-空跨介质航行器结构设计

近年来,水-空跨介质航行器因具有立体跨域优势而成为研究热点,但水-空跨介质航行器平台总体的现有设计水平阻碍了其在实际复杂环境中的推广和应用。文中基于仿生变体技术,提出一种新型仿生水-空跨介质航行器结构。针对航行器外形特点,设计了2对变体水翼和折叠空翼,并开发出变体执行机构,以实现水翼、空翼的展开和收缩。为保证该航行器在多模态下的优良性能,对其在水下、水面和空中模态的水动力性能和气动性能进行了计算流体动力学数值仿真研究。结果表明,该航行器不仅可实现水下定深潜行、水面高速航行以及空中定高飞行的跨域作业,而且兼具水下隐蔽性和空中机动性等优势。

仿生水-空跨介质航行器控制系统研究

随着海洋技术与装备的快速发展,对海上无人装备的作战能力提出更高要求。为了有效提高无人系统的跨域作战能力,亟需突破多模态跨域控制技术,实现多系统间的协同配合。基于上述背景,本文首先对国内外跨介质航行器的跨域控制技术进行梳理,并提出适用于仿生水-空跨介质航行器的两栖多模态切换控制技术和复杂海洋环境下的自抗扰控制技术。研究表明,该技术能够有效提升航行器跨域控制的鲁棒性与自抗扰能力。其次,初步设计与跨域控制技术相匹配的仿生水-空跨介质航行器软硬件系统,并论证航行器跨域控制系统的可行性。最后,对本文提出的控制技术进行总结分析,为新型水-空跨介质航行器的跨域控制技术研究提供新的思路。

面向跨水空介质通信的雷达水表面声波提取

由于水空介质的非连续性,空中电磁波和水下声波都无法跨越该介质边界,所以无中继器跨水空介质通信一直是研究中的难点。水下声波会引起水空边界的微小振动即水表面声波(Water Surface Acoustic Wave,WSAW),而毫米波雷达能够实现对微动信号的高精度探测,因此文章提出了基于级联成像调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)雷达提取WSAW信号的方法。首先研究了WSAW的基本特征及FMCW雷达微动信号的提取原理;其次采用线性调频的水下声信号并结合匹配滤波技术来提高输出信噪比,针对大幅度自然扰动,提出了一种多角度积累结合阈值相位补偿的信号增强算法;最后在不同波高的扰动下进行实验,结果表明在1.5 cm的自然波动干扰下仍能提取WSAW信号,成像FMCW雷达偏过一定角度也能有效地进行通信,验证了文中所提方法的有效性。

跨介质水空两栖航行器的设计研究

为了改善传统海洋应急搜救的不足,提高海洋搜救效率,提出一种智能化的跨介质水空两栖航行器,配有飞行控制系统、水下航行控制系统、GPS以及无线传感技术,能够实现智能化搜救。基于传统海洋应急搜救的方法,该航行器具备空中、水中航行能力,能够按预定航线自主航行,同时通过机载摄像头传输实时搜救画面至监控中心,帮助救援人员精确定位遇险人员的位置以及提供海面、海下的实时画面。

基于深度强化学习的水空跨域机器人水面起飞运动控制

水空跨域机器人由水到空的跨域过程(水面起飞)由于受到近水面环境下螺旋桨动力衰减、机器人浮力变化和水面介质引起流体力变化的影响,对其水面运动控制提出新的挑战。针对倾转螺旋桨推进的跨域机器人的水面起飞问题,提出了机器人近水面环境下的浮力估算模型,螺旋桨推力模型,基于深度强化学习方法的机器人水面起飞控制,在此基础上,为解决机器人螺旋桨在近水面动力衰减而影响水面起飞难题,提出一种基于深度强化学习方法的跨域机器人分阶段水面起飞方法。通过仿真验证了基于深度强化学习的分阶段水面起飞的有效性,并在实际实验中证明了深度强化学习控制的无螺旋桨衰减下直接水面起飞和有螺旋桨衰减下分步水面起飞的有效性,分别实现水面起飞至2 m,横滚角和俯仰角小于5°(无螺旋桨衰减)和横滚角小于5°、以65°俯仰角的水面起飞(螺旋桨衰减)。

水空两栖多旋翼飞行器出水控制及参数整定

介质跨越是水空多旋翼飞行器的关键运动之一,针对水空多旋翼飞行器的出水问题开展相关研究。首先,建立水空多旋翼飞行器的运动学、动力学模型,重点探究其在水下运动过程中的受力,借助Fluent软件对水空多旋翼飞行器在水下受到的粘性水动力进行分析,并进一步用多项式拟合粘性水动力与速度之间的关系。在此基础上,提出分段变参数PID跨介质控制方法,在Matlab中开展控制仿真实验。最后,引入遗传算法整定PID控制器,并将结果与前者进行对比。实验结果表明:水、空环境突变对PID控制算法影响巨大,分段变参数PID控制方法更加贴合实际跨介质过程;基于遗传算法的PID控制器参数整定方法能有效提高水空多旋翼飞行器跨介质性能。研究结果可为研究潜器跨介质、导弹出水、水空多旋翼飞行器的出入水控制等问题提供研究思路和理论参考。

基于超材料的水声通信综述

近年来,声学超材料作为一种新型人工复合材料,凭借其强大的声学参数调控能力突破传统材料功能极限,在水下探测、目标识别、成像、导航和通信等领域展现出了广阔的应用前景。文章综述了利用超材料实现水声通信的研究进展,主要包括基于声轨道角动量的多路复用通信、基于声学超表面的波束操控实现的特定发射和接收端间的水声通信,以及水-空跨介质声通信,总结了其所涉及的关键技术,并对当前基于超材料的水声通信所面临的挑战和前景进行了展望。