两栖航行器空水一体化推进系统

本发明属于无人飞行器及潜航器技术领域，具体涉及一种两栖航行器空水一体化推进系统。

背景技术：

两栖航行器是一种可在空水两种介质中持续航行并多次跨越的特种航行器，主要工况有空中飞行、水面起降、水下潜航，兼具空中飞行器的机动性及水下航行器的隐蔽性，能够在海空通信、抵近侦察、突防打击等军事领域发挥独特的优势作用。因此，开展两栖航行器的研究工作具有重要战略意义，现有技术在该领域的研究正处于概念设计和原理样机验证阶段。

由于空气和水的物理特性相差很大，两栖航行器在空中和水下的阻力不同，推进系统必须满足在两种介质航行时不同的动力需求，设计难度很高，现有的空中飞行器和水下航行器推进系统均不能满足要求。两栖航行器大多配备两套独立的电力推进系统，一套空中推进，一套水下推进，然而这种推进方式不仅系统重量较大，续航能力较差，而且使飞行器总体结构设计很难兼顾空中和水下航行的要求。另一方面，因水下环境缺氧且舱室密封，两栖航行器必须配备电力推进系统，然而受现有动力电池技术限制，短期内电池能量密度远低于燃油，纯电动系统的续航能力不足。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种两栖航行器空水一体化推进系统。通过空中推进系统和水下推进系统的集成设计，降低了系统总重量，并将燃油发动机与电力推进技术的优势相结合，可大幅提高两栖航行器有效载荷及续航能力。

本发明采用的技术方案是：一种两栖航行器空水一体化推进系统，包括机身、两侧机翼，所述机翼上安装有通过旋翼电机驱动的空气螺旋桨，所述旋翼电机连接蓄电池，所述机身尾部设有一体化集成电机推进器和尾翼；所述机身机舱后部设油箱和发动机，所述油箱连接发动机输入端，所述发动机输出端连接一体化集成电机推进器。

进一步优选的结构，所述一体化集成电机推进器包括两侧的涵道、设置于两侧的涵道之间前部的前置导叶、固定于前置导叶上的桨距角可调的桨叶、与所述桨叶集成的电机外转子、电机内定子，所述机外转子、电机内定子构成电机或发电机。

进一步优选的结构，所述机翼上通过吊杆安装有旋翼电机和空气螺旋桨。

进一步优选的结构，所述蓄电池通过双向电能变换器与一体化集成电机推进器的电机连接。

进一步优选的结构，所述蓄电池设置于机舱中部。

进一步优选的结构，所述发动机输出端通过离合器连接一体化集成电机推进器。

一体化集成电机推进器，在水下航行工况时，可作为电动机运行，驱动涵道式螺旋桨产生水下推力；在空中巡航工况时，由发动机驱动涵道式螺旋桨产生空中推力，同时作为辅助发电运行，给蓄电池充电。

所述旋翼电机具有功率密度高、过载能力强、转速可控和螺旋桨定位功能，在垂直起降时，提供最大拉力；在巡航平飞和水下航行时，固定螺旋桨角度与机身平行，减小航行阻力。

垂直起降时采用旋翼飞行方式，旋翼电机驱动空气螺旋桨产生拉力，能够实现快速跨越水空介质；巡航平飞时采用固定翼飞行方式，具有良好的续航能力，发动机通过离合器直接驱动尾部推进器，减少了电能转化的损耗。

本发明推进系统采用油电混合动力，第一动力源为蓄电池驱动旋翼电机的电动机，提供垂直起降和水下航行所需动力，具有功率密度高、过载能力强的优势；第二动力源为燃油驱动发动机，提供空中巡航平飞所需动力，具有能量密度高、续航能力强的优势。本发明将燃油发动机与电力推进技术的优势相结合，并通过空中和水下推进系统的集成设计，降低了动力系统总重量，可大幅提高两栖航行器续航能力或有效载荷。

本发明的有益效果是：通过空中和水下推进系统的集成设计，降低了系统总重量；采用油电混合动力将燃油发动机与电力推进技术的优势相结合，可大幅提高两栖航行器有效载荷及续航能力；将复合翼应用在两栖航行器上，既能实现快速跨越水空介质，又具有良好的巡航速度和续航能力。具有能量密度高、续航能力强的优势。

附图说明

图1为本发明空水一体化推进系统原理图；

图2为一体化集成电机推进器结构原理图；

图3为空水一体化推进系统在垂直起降工况的运行模式图；

图4为空水一体化推进系统在垂直飞行转水平飞行的运行模式图；

图5为空水一体化推进系统在的巡航平飞工况的运行模式图；

图6为空水一体化推进系统在的水下航行工况的运行模式图。

其中，包括：1-机翼、2-空气螺旋桨、3-旋翼电机、4-蓄电池、5-双向电能变换器、6-发动机、7-油箱、8-一体化集成电机推进器、9-尾翼、10-机身、11-离合器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，给出了一种用于两栖航行器的空水一体化推进系统原理图，包括蓄电池4、双向电能变换器5、旋翼电机3、空气螺旋桨2、机翼1、发动机6、油箱7、一体化集成电机推进器8、尾翼9、机身10、离合器11。飞行方式采用复合翼方案，机翼1位于机身10两侧，机翼1上通过吊杆安装有四台旋翼电机3和四个空气螺旋桨2，飞行器尾部是尾翼9和一体化集成电机推进器8。垂直起降时采用四旋翼飞行方式，旋翼电机3驱动空气螺旋桨2产生拉力，实现快速跨越水空介质；巡航平飞时采用固定翼飞行方式，发动机6直接一体化集成电机推进器8产生推力，由机翼1提供足够的升力。

所述一体化集成电机推进器8，包括涵道8-3、前置导叶8-1、桨距角可调的桨叶8-2、与所述桨叶8-2集成的电机外转子8-5、电机内定子8-4。采用涵道式螺旋桨，桨距角可调，采用气动力/水动力融合设计，在空中和水下都能产生足够的推力。集成电机通过双向电能变换器5控制，既可作为电动机运行，又能作为发电机运行，具备防水功能。旋翼电机3采用外传子永磁电机方案，具有较强的过载能力，能够固定空气螺旋桨2的角度，在向前航行时，固定空气螺旋桨2的角度与机身10平行，减小航行阻力。

如图2所示，给出了空水一体化推进系统在垂直起降时的运行模式。蓄电池4为四台旋翼电机3供电，驱动空气螺旋桨2产生拉力，实现两栖航行器在水面垂直起降和空中悬停，此时推进系统其他设备不运转。

如图3所示，给出了空水一体化推进系统由垂直飞行转水平飞行的运行模式。发动机6驱动一体化集成电机推进器8产生推力，向前飞行由机翼1提供升力，旋翼电机3驱动空气螺旋桨2产生的拉力逐渐减小，飞行模式由四旋翼垂直飞行转换为固定翼水平飞行。

如图4所示，给出了空水一体化推进系统在巡航平飞时的运行模式。发动机6通过离合器11直接驱动一体化集成电机推进器8，减少了电能转化的损耗，油箱7中燃油作为动力源，使两栖航行器具有良好的续航能力。当平飞速度达到一定时，由机翼1提供足够的升力，旋翼电机3停止运转，并固定空气螺旋桨2的角度与机身10平行，减小飞行阻力。巡航平飞时，发动机6驱动一体化集成电机推进器8作为辅助发电机运行，通过双向电能变换器5给蓄电池4充电。

如图5所示，给出了空水一体化推进系统在水下航行时的运行模式。因水下环境缺氧，发动机6停止工作，离合器11脱开，由蓄电池4通过双向电能变换器5，驱动一体化集成电机推进器8提供水下推力。

本发明航行器出入水时采用垂直起降方式，巡航平飞时采用固定翼飞行方式。该推进系统采用油电混合动力，第一动力源为蓄电池驱动旋翼电机，提供垂直起降和水下航行所需动力；第二动力源为燃油驱动一体化集成电机推进器的发动机，提供空中巡航平飞所需动力。

本发明采用涵道式螺旋桨，通过桨距角控制，采用气动力/水动力融合设计，在空中和水下都能产生足够的推力。直径比传统螺旋桨更小，便于总体气动/水动设计。涵道结构有助于降低噪声，使两栖航行器的隐蔽性更好。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。