一种多机协同的水空跨介质仿生飞鱼航行器及推进方法与流程

本发明涉及跨介质航行器领域，具体涉及一种水空跨介质仿生飞鱼航行器。

背景技术：

1、开发水空跨介质航行器具有重大意义，凭借它灵活快速的优势可实现诸多应用：从洪水期间的波浪采样，到水生环境中的环境监测，再到水生灾害的响应。将多地形移动能力集成在一个系统中，可以在军事、海洋学、水库管理和农业领域中实现各种重要的应用。目前的水监测方法耗时耗力耗材，特别是在偏远或危险的海洋环境中，例如，在核事故期间、在北极地区或洪泛区。而跨介质飞行器可以在广阔的区域向基站提供样本，并且比单一领域的水上、空中或陆地系统反应更快。在民用领域，未来将有可能在海上航空失事快速搜寻、事故人员快速搜救等方面起到很大作用，对远距离探测目标，可先在飞行状态下以较短时间到达目标区域，再转入水下进行近距离观察，从而充分发挥水空跨介质航行器的优势。

2、现有的跨介质航行器技术仍处于发展阶段，空气和水的密度相差近800倍，两栖航行器在两种截然不同的环境介质中运行时，所受的环境外力情况和相应的动力学响应都有显著差异，设计要求往往相互冲突。所以对其的技术研究存在以下问题：

3、1.现有的跨介质仿生航行器多数采用复杂的结构设计，如变体水翼、折叠空翼、变形机身等，这增加了航行器的重量、成本和故障率。

4、2.现有的跨介质仿生航行器多数采用不同的推进器来适应水中和空中的航行，如螺旋桨、喷射器、扑翼等，这导致航行器在两种介质中的推进效率不高，且存在推进器切换的问题。同时，航行器起飞时的姿态调整、出水时风浪对航行器的随机影响，都对跨介质航行器研发造成限制。

5、3.现有的跨介质仿生航行器多数采用电池作为能源，这限制了航行器的续航能力和航程，且在出入水过程中需要消耗大量的能量，难以实现多次跨介质的能力。高功率密度的供应问题也一直限制着机器人在实际任务中的应用。

6、4.跨介质方案多集中于利用螺旋桨或气体燃料为动力的气体工质推进，系统笨重、效率不高。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提供了一种多机协同的水空跨介质仿生飞鱼航行器。

2、一种多机协同的水空跨介质仿生飞鱼航行器，包括机翼、艏部整流罩、机身、反应室、控制室、软管、不锈钢气针、垫块和尾部螺旋桨；

3、所述机身为圆筒型；机身的一个端面封闭；机身的另一个端面的圆周半径平滑收缩，形成圆筒形喷嘴；机身外壁呈流线型；机身外壁面设置机翼；机翼与机身固定连接；机翼为等腰三角形薄板；机翼的底边长度和机翼的高的比例为1.1：1；所述机翼的后缘底边上设置垫块；垫块材料为硅橡胶；垫块为两个；两个垫块关于机翼底边上的高对称；所述垫块为长方体；垫块的一个侧面上设置平行于垫块顶面的长条形缝隙；长条形缝隙的高度小于机翼的厚度；安装后，机翼后缘插入垫块的长条形缝隙中，机翼后缘通过摩擦力与垫块固定；所述机身封闭端面上设置艏部整流罩；艏部整流罩为空心半球体；艏部整流罩与机身固定连接；艏部整流罩的直径大于机身圆筒最大处的直径；艏部整流罩外壁顶点设置整流罩通孔；整流罩通孔内设置不锈钢气针；机身的外壁面设置控制室；控制室和机翼位于机身轴线的两侧；控制室为盒体；控制室内设置总控制板；总控制板包括具有arm内核的stm32单片机和imu单元；总控制板分别与水泵031、电弧点火器032、锂聚合物电池033、电压输出保护模块034、三通电磁阀036和遥控模块接收机037连接；水泵031的进口设置软管，水泵031进口的软管从控制室侧壁通孔与外界相连；水泵031的出口设置软管；水泵031出口的软管与反应室相连；控制室与机身通过凝胶固定连接；三通电磁阀036包括三个通气口，分别为：n1、n2和n3；n1和n2分别通过软管连接至机身，n3通过软管与气泵035进气口连接；气泵035出气口悬空，将气体排出机身；三通电磁阀036通电时n1和n3相连通，n2和n1、n3不通，不通电时n1和n2相连通，n3和n1、n2不通；n1口和n2口分别通过软管连接到机身；水泵031的进口与外界连接；水泵031的出口与反应室连接；遥控模块接收机037安装时将天线露出控制盒，便于接收遥控信号；电弧点火器032两端焊接大头针；电弧点火器032的大头针穿入的机身内，起到辅助固定作用；控制室内使用环氧树脂ab胶灌封并固定，以满足在水下正常工作防水密封的要求；控制室的背风面设置反应室；反应室为圆筒形；反应室的一个端面为敞口；反应室的另一个端面设置圆锥体；圆锥体的底面半径与反应室截面的半径相同；反应室敞口的端面外壁设置螺纹；反应室敞口的端面设置反应室盖；反应室盖为一个端面封闭的圆筒；反应室盖的内圆半径与反应室外圆半径相同；反应室盖的另一个端面内壁设置螺纹；反应室盖通过螺纹与反应室固定；反应室盖封闭的端面设置两个反应室通孔；反应室通孔内分别设置软管；两个软管中，一个软管连接反应室与机身，运送生成物乙炔到机身；另一个软管与水泵031出口连接；所述机身外壁设置一对小翼；小翼为直角梯形板；小翼的垂直于底边的腰与机身外壁固定连接；小翼所在的平面与通过艏部整流罩通孔的截面重合，且小翼所在的平面与水平面平行；小翼的顶面上设置尾部螺旋桨08；尾部螺旋桨08包括螺旋桨叶和螺旋桨轴；螺旋桨轴为柱体；小翼与螺旋桨轴的一端固定；螺旋桨轴的另一端固定螺旋桨叶，且螺旋桨叶朝向机身的喷嘴方向；小翼安装后螺旋桨轴与小翼之间的夹角为24度。

4、更进一步的，所述机身的喷嘴直径为26mm；机翼的上反角为15度；机翼的后掠角为62度；垫块与机翼底边的高的距离为100mm；长条形缝隙与垫块顶面的距离为5mm；长条形缝隙的深度为20mm；艏部整流罩的直径为90mm；整流罩通孔直径为2.1mm；不锈钢气针的长为200mm；不锈钢气针的外径为2.1mm；不锈钢气针的内径为1.6mm。

5、更进一步的，基于一种多机协同的水空跨介质仿生飞鱼航行器的推进方法为：

6、s1：初始状态：飞鱼航行器体积的一半浸没在水中；飞鱼航行器初始俯仰角为24度，反应室内预置纯度为75％的cac2电石粉末；

7、s2：反应状态：打开水泵，水泵通过软管从环境水体中抽出水并注入反应室中；电石和水发生放热反应：

8、cac2+2h2o→ca(oh)2+c2h2↑

9、通过放热反应，生成乙炔，此过程中，每毫克纯度为75％的电石粉末产生0.3mg乙炔；

10、s3：混合状态：生成的乙炔气体通过软管逃逸到机身中，乙炔气体与机身中的空气混合；

11、此时机身中有乙炔和空气，电磁阀不通电，n1、n2相通，将与n1相连的机身后部气体传送到与n2相连的机身，实现乙炔和氧气的充分混合；

12、s4：点火状态：机身内，stm32单片机控制电弧点火器，在电弧点火器输出端产生0.8kv的电压，点燃乙炔和氧气的混合物，发生放热反应：

13、

14、s5：起飞状态：机身内发生放热反应后，机身内的温度和压力迅速升高，迫使原本机体中的水通过喷嘴，流出机身，产生所需的推力，飞鱼航行器完成跨介质，利用机翼滑翔。

15、本发明的有益效果是：

16、在动力方面，相较于传统的水下航行器，本发明所提出的一种多机协同的水空跨介质仿生飞鱼航行器，采用了固体水反应燃料的化学反应提供动力能源，推力可达40n，可以提高航行器的续航能力和航程，且在出入水过程中不需要消耗大量的能量，即可实现多次跨介质的能力，一次只使用0.7g电石飞行距离可达20米，相比传统的电池或气体燃料，具有明显的优势；本发明通过机械自充水装置实现自主水封，采用喷射水作为驱动方式，和只喷射气体相比，能量利用率提高约12％；

17、在结构方面，本发明配合固体燃料推进的方案设计，结合飞鱼弯曲三角状翼型和两头窄、中间宽的瓶形机身，形成流线型非变体的异形机型，气动性能能够满足空中稳定滑翔和水中小扰动不侧翻。相较于传统的航行器，使用增强复合材料进行轻量化设计，能够更好的承受高压和水生环境，不仅降低航行器的重量、安全性和故障率，且便于制造和维护；

18、在功能方面，本发明不仅能够完成水下航行、水空跨介质、空中滑翔等多种航行模式，还具备无线通信和任务规划等功能，并设计用于喷水推进的具有飞行能力的轻型驱动系统，同时处理电石反应、燃料点火、高压、无线通信、电源管理等多个任务，使得航行器在执行任务时更加灵活和高效；