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2021年,鲁等人发布了一个改进的版本,命名为“哪吒III(尾巴保姆),在下降深度、续航时间和自主性方面取得了显著的提升。
几个关键的修改已经完成:(1)一个轻型气动浮力系统它取代了传统水下滑翔机的浮力控制系统,允许Nezha III实现50米的最大潜水深度。(2)进行了浮力-俯仰耦合的研究,并提出了水平滑翔的俯仰控制策略,以减少与水下滑翔机上广泛使用的内部可移动质量方法相比的能量消耗。(3)为了获得更好的水动力性能,设计了可转向的发动机臂,从理论和实践上解决了起飞过程中重心变化引起的倾覆问题。研究小组还提出了“哪吒III”的起飞和着陆控制方法,以克服波浪干扰和一种结合空中和水上运动的动态路线规划方法为了进一步提高水下续航力,鲁等于2022年研制出一种高度紧凑、重量轻的活塞式可变浮力系统并发布了名为Nezha III 的改进型原型机实验测试表明,样机的最大工作深度为35.5米,能够承受24小时的水下巡航。
早在2008年,研究团队就发起了一个名为RoboBee的项目,旨在创造一种具有高机动性和低能耗的微型扑翼机器人。到2013年,已经提出了一种重量仅为80毫克、翅膀拍动频率为120–260赫兹的微型扑翼机器人紧接着,在2015年,研究团队通过利用计算流体动力学(CFD)模拟,证明了在水下降低拍动频率可以获得类似于空气的流量分布和动态性能。在进行了无数次实验来证明CFD预测的准确性之后,研究团队终于研制出了第一架扑翼HAAV然而,由于水的表面张力是机器人重量的十倍,最大升力的三倍,扑翼HAAV还不能从水中起飞,只能实现从空中进入水中的运动。
2017年,研究小组发表了一个改进的原型,具有出水运动能力对样机进行了几项具体的修改:(1)通过改变机翼形状,提高机翼拍动频率来增加升力。(2)通过安装四根平衡梁,使机器人在水面上保持稳定的向上姿态。(3)安装一个用于爆破气体的集气室。扑翼HAAV的出水运动可分为四个阶段:(1)用不锈钢电解板将水分解成氢气和氧气。(2)通过用气体收集室收集氢气和氧气来增加浮力,气体收集室将机翼推出水面。(3)关闭不锈钢电解板,拍打翅膀,去除残留水分。(4)用铜火花器点燃氢氧混合物,在小爆炸的辅助下将机器人推出水面。爆炸发生在1毫秒内,平均推力为7.5-9牛顿,相当于19000-23000推重比。车辆可以加速到1.8 m/s起飞,并在此过程中保持稳定的姿态。
此外,车辆总重量为175毫克,重量不到其他具有相同功能的机器人的千分之一。后掠翼HAAV是一种受塘鹅俯冲捕食行为启发的设计方案,具有快速入水能力的优势。这种仿生设计思想的起源可以追溯到2010年,当时《新科学家》杂志在HAAV上做了专题报道,并采访了潜艇设计专家霍克斯55].凭借丰富的领域工程经验,霍克斯深入分析了研究人员可能遇到的技术难题,并给出了建设性的解决方案。至于着陆和淹没关于飞机比水轻的问题,他建议模仿鸟类的俯冲行为。麻省理工学院林肯实验室的Fabian等人在2012年验证了这一想法的可行性研究小组设计了一个名为仿生塘鹅(MIT)的类似塘鹅的后掠翼HAAV实验原型,并进行了几次入水实验。
在空中飞行时,HAAV使用DC电机驱动螺旋桨,并伸展机翼以提供足够的升力;当从空中过渡到水中时,HAAV采用塘鹅的俯冲模式,以7米/秒的速度安全撞击水面,并在0.25秒内迅速将机翼向后扫,以减少入水阻力;潜入水中后,HAAV调整自己的密度接近水,从而让浮力抵消重力以适应水下运动。尽管该飞行器成功模仿了塘鹅的潜水行为,但它仍然不能在水下巡航或从水中起飞。2012年,北京航空航天大学的梁等人也开发了一种后掠翼HAAV,命名为仿生塘鹅I在几个室外实验中测试了不同入水速度、倾角和机翼后掠角下的超负荷和翼根枢轴张力没有驱动系统的HAAV利用重力和绳索以不同的参数进入水中。实验结果为结构强度设计和水下运动控制策略的发展提供了指导。
不久之后,研究小组开发了一种具有完全自主能力的改进型,命名为仿生塘鹅II (BUAA),其中特别关注空气-水相容性和入水缓冲问题。在入水阶段,机翼后掠,同时同轴反向旋转的apt螺旋桨关闭,以调整飞机垂直俯冲,模仿塘鹅的俯冲运动。出水阶段,船上的气泵自动给气囊充气使机身直立,将头上的同轴对转apt螺旋桨推出水面。
然后螺旋桨开始产生足够的升力来克服重力和阻力附着力从水中,最终将原型拉出水面,实现垂直起飞。当在水下巡航时,原型由后部的电动螺旋桨驱动,但姿态控制和低速能力不足。2014年,研究团队发布了一款名为飞鱼,体长1.98米,一只翼展长3.4米,翼面积1.5米2,工作速度为85 km/h,最大飞行高度为500 m。通过采用液压喷射推进系统,飞鱼的水下巡航速度仅为0.2-0.5m/s。此外,由于庞大的机身增加了困难,样机只能实现低效率的滑跑着陆和起飞。2016年,伦敦帝国理工学院的Siddall等人也通过模仿gannet设计了一款名为AquaMAV的后掠翼HAAV与麻省理工学院和BUAA相比,后掠翼结构有了很大的改进。它分为三个部分。
第一部分连接到身体上,具有足够的灵活性,其他部分可以在它下面移动,而外侧的其余两个部分连接到第一部分的密封轴承上,位于绳索的1/4处,可以向后扫描90°。根据基于大量风洞和水洞试验的空气动力学评估,AquaMAV在机翼展开时具有良好的飞行动力,而在机翼折叠时具有较低的阻力和升力。机翼的折叠可以被动地将飞行器从飞行模式转换到俯冲模式。
此外,入水运动的参数可以通过改变空中飞行速度和高度来改变。飞行试验证明了后掠翼的缓冲作用,在后掠翼正常工作的情况下,飞行器能以9.1米/秒的速度良好地跳入水中,但在一次事故中,一个机翼铰链因机翼没有及时后掠而断裂。而且AquaMAV是通过模仿一只鱿鱼如何喷出液体起飞来实现从水到空气的过渡。
它利用高压一氧化碳2瞬间推力持续1秒钟以获得足够的速度。在空中飞行和水下巡航时,AquaMAV使用55 W DC电机驱动直径为152 mm的螺旋桨,虽然飞行速度为18 m/s,但其水下推进能力和能效仍有待提高。2021年,瑞士联邦理工学院的Friedrich等人释放了一个塘鹅启发的后掠翼HAAV命名为迪普该原型具有类似于仿生塘鹅(MIT)的形状,具有后掠翼和T形尾翼,以及类似于仿生塘鹅I (BUAA)的驱动布局,空气推进器和水推进器分别安装在身体的前部和后部。样机的主要创新点是推进系统的改装,采用一个电机正反转实现空中螺旋桨和水上螺旋桨的分开驱动,减轻了推进系统的重量。
北斗星的空中飞行速度可达70 km/h,水下航行速度可达9 km/h,还可以从150 m高空开始下降,以130 km/h的速度撞击入水,但由于机体密度小,仅靠俯冲降落运动无法支撑机体完全浸没在水中,需要水上推进器提供额外的动力。北斗七星的入水运动控制比较复杂,因此还不能实现从俯冲降落到水下航行的连续运动。
上面提到的HAAVs采用了空中驱动、水下驱动、入水运动和出水运动的各种技术方案。为了明确技术发展的方向,我们总结了上述HAAVs的驱动力和反式-媒体解决方案。在接下来的章节中,对HAAV的研究现状进行了分析从两个方面:驱动解决方案和反式-媒体解决方案。除了使用涡轮喷气发动机的早期载人计划24]和涡轮风扇发动机,HAAV基本使用螺旋桨,包括空中螺旋桨和水上螺旋桨。然而,由于空中和水上螺旋桨之间的结构差异,在其他领域中使用空中或水上螺旋桨可能实现低驱动性能空中螺旋桨通常有狭长的叶片,以减少空气阻力,提高转速。
相比之下,水上螺旋桨有短而宽的叶片来增加螺旋桨作用区域并搅拌更多的水。如何在空中飞行和水下巡航时保证良好的驱动性能是HAAV设计的首要问题之一。一些HAAV原型机配备了独立的空气和水驱动系统,而另一些则采用了两个领域的集成驱动系统。根据气水驱动是否一体化,目前的HAAV驱动技术可分为两类:水-气独立驱动和水-气一体化驱动。早期的HAAV采用的是水-气独立驱动,将空中驱动装置和水下驱动装置同时安装在HAAV上,不做任何改动奥本大学提交给DARPA的两个载人HAAV设计方案和美国海军水面作战中心已经采用了这种技术,使用涡轮风扇发动机进行空中推进,使用吊舱推进器进行水下推进。
同样,在里奥格兰德联邦大学设计的多旋翼HAAV中以及北京航空航天大学设计的后掠翼无人飞行器,电动空中螺旋桨和电动水上螺旋桨分别用于空中推进和水下推进。水-空气独立驱动技术实现起来相对简单,并且在空气和水中给出了理想的驱动性能。然而,该技术可能会严重增加机身重量和系统复杂性,这将对HAAV的载荷能力和可靠性产生负面影响。水-空气集成驱动是一种更先进的技术,它利用单个驱动装置来满足空中飞行和水下巡航的所有要求,而不是两个单独的装置。
目前的水-气一体化驱动系统一般以空中飞行为设计基础,通过数量调整或结构修改使空中螺旋桨适应水下环境。2015年,通过降低用于水下推进的空中螺旋桨的转速,验证了水-空气一体化驱动的可行性,这使他们首次只用一个空中驱动装置就满足了两个领域的要求。随后,来自罗格斯大学的Maia等人促进了稳定反式-通过增加更多螺旋桨实现媒体移动。
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