一种拍翼水下和水面推进器、航行器及推进方法
【专利摘要】本发明涉及一种拍翼水下和水面推进器、航行器和推进方法，包括圆形基座和设置在基座上的四个相同大小的拍翼；各拍翼依次通过水平设置的攻角轴和竖直设置的挥拍轴活动连接在基座上，且各拍翼均能单独绕所在的攻角轴和挥拍轴分别旋转构成二自由度旋转机构；四个挥拍轴在基座上以基座中心线轴对称设置成“×”型布局。相比于常规的螺旋桨推进方式，本发明提出的拍翼推进方式流体性能更加完善，提高了推进效率；由于其特殊的转弯机动动作，可以实现远小于螺旋桨推进的转弯半径，显著提高水下航行器的机动性能。此种应用于水下航行器的拍翼推进方式，对水下航行器的结构改动较小，并且推进效率和机动性较好，具有较强的应用前景。
【专利说明】一种拍翼水下和水面推进器、航行器及推进方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水下航行器设计和拍翼推进，具体涉及使用拍翼推进以提高航行器推进效率和机动性能的技术方法。
【背景技术】
[0002]鱼类在漫长的进化过程中，通过优胜劣汰的自然选择，发展了各具特色的潜水游动能力。有的具有极高的推进效率，以极低的能耗，长距离地巡弋；有的具有极大的爆发加速度和快速机动响应能力。鱼类所具有的这种高效推进和高机动性特点是未来水下航行器的发展方向和追求目标。根据仿生机器鱼的研制情况和理论分析结果，认为仿生推进方式跟传统的螺旋桨推进方式相比，具有“静、灵、远”的特点，静是隐身性能更好，噪声更低?’灵是操纵性好，机动性强；远是推进效率高，续航力更大，攻击范围更远。
[0003]目前水下航行器的推进主要还是依靠螺旋桨方式，未见基于生物自推进机理的仿生推进系统的实际工程应用。现有仿生机器鱼严格按照自然界鱼类游动方式进行，采用单尾鳍摆动方式。然而，依靠单个尾鳍推进的航行器本体会随着尾鳍的摆动而晃动，导致其运动稳定性很差。因此又发展了一种双尾鳍推进模式，可以消除尾鳍摆动产生的横向作用力，保证航行器本体的稳定性。但上述推进方案均不能直接应用到实际的水下航行器上，主要原因是这些推进方式均要求进行大变形运动，对控制系统、结构、材料的要求很高，工程应用十分困难。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是:提供一种拍翼水下和水面推进器、航行器及推进方法，对水下航行器改动要求小，且流体性能更加完善，并能有效提高水下航行器的推进效率和机动性能。
[0005]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:
一种拍翼水下和水面推进器，其特征在于:包括圆形轴基座和设置在轴基座上的四个相同大小的拍翼；各拍翼依次通过水平设置的攻角轴和竖直设置的挥拍轴活动连接在基座上，且各拍翼均能单独绕所在的攻角轴和挥拍轴分别旋转构成二自由度旋转机构；四个挥拍轴在轴基座上以基座中心对称设置使得四个拍翼在初始状态成“ X ”型布局，且拍翼能够随轴基座绕轴基座中心轴线做被动旋转。
[0006]按上述技术方案，拍翼为刚性或柔性材质,且各拍翼截面呈直角梯形,上边为斜边,下边为直角边,斜边的较高端位于基座端而较低端位于外沿；各拍翼翼面中间突出并分别以弧面延伸方式圆滑过渡到上下两边；或者所述翼面为由刚性主翼和柔性副翼构成的尾舵形状，柔性副翼能够折叠在刚性主翼内。
[0007]按上述技术方案，竖直设置的挥拍轴高度一致或不一致。
[0008]一种采用上述拍翼推进器的航行器，其特征在于:将一个推进器设置在航行器尾部；或者航行器上安装多个拍翼推进器；推进器圆形基座的中心位于航行器轴线上。[0009]按上述技术方案，航行器上安装两个推进器时，一个位于航行器头部，一组位于航行器尾部。
[0010]按上述技术方案，所述航行器为潜艇、船舶、鱼雷、或仿生水下机器人。
[0011]一种采用上述拍翼推进器的推进方法，其特征在于:每个拍翼的挥拍角和攻角均实时变化，且任一时刻相邻拍翼的挥拍方向相反，通过改变攻角的正负实现前进或后退；四只翼面在任意时刻保持挥拍角和攻角的大小相等；右侧的两只拍翼保持静止，左侧的两只拍翼不对称挥拍，在水下航行器尾部产生一个向右的侧向力，即实现左转；同理，实现水下航行器的右转、上浮和下潜。
[0012]按上述技术方案，一个推进周期的步骤如下:
初始时刻，两侧的两对翼面开始相隔较远，翼面沿攻角轴转动，变化到一个可以产生推力的攻角角度，然后接着沿挥拍轴相对拍动，在这个挥拍的过程中，翼面攻角保持前一刻的攻角不变，直到相向运动的两对翼面合到一起，然后翼面再沿攻角轴转动，攻角变化成另一角度，然后翼面沿挥拍轴反向拍动，由于挥拍方向的改变，这个过程中翼面仍然保持着可以产生推力的攻角，直到相向运动的两对翼面合到一起，紧接着翼面沿攻角轴转动，攻角再度变化，回到初始时刻角度，这便完成了一个推进周期；在此过程中，翼面的攻角保持不变时，推进系统产生定常推力，在翼面攻角发生变化时，推进系统产生非定常推力。
[0013]本发明的拍翼水下和水面推进器、航行器及推进方法，充分借鉴了鱼类游动和鸟类飞行机理，并结合水下航行器设计的技术要求，在结构设计、总体布置、运动平衡等方面进行了突破，通过四只拍翼的配合挥拍来实现推进和机动，与现有水下或水面航行器螺旋桨推进方式相比，有如下优点:
推进方式遵循自然界生物的游动推进机理，流体性能更加完善，可以提高水下航行器的推进效率和机动性能。
[0014]拍翼的总体布置对水下航行器改动要求小，便于工程实施。
[0015]拍翼推进方式产生的转向力矩大，转弯半径小于螺旋桨推进器的转弯半径。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]以下结合附图和各实施例对本发明作进一步说明。
[0017]图1是本发明拍翼水下和水面推进器及推进动作示意图(俯视图)。
[0018]图2为图1的主视图。
【具体实施方式】
[0019]图1和2为本发明实施的拍翼水下和水面推进器。它包括安装在圆形轴基座4上的四只拍翼，其中每只拍翼的运动具有挥拍角和攻角两个自由度，通过调节每只拍翼的挥拍角和攻角的配合关系可以实现推进、后退、左转右转、上浮下潜等机动动作。四只拍翼(翼面I处)的挥拍轴3竖直设置穿过轴基座4，只能绕各自轴线转动。每只挥拍轴3的上端有一垂直于轴线的水平攻角轴2，其一端插入挥拍轴3内，另外一端同翼面I固结在一起。攻角轴2由挥拍轴3内部的传动机构驱动，只能绕其轴线转动。
[0020]四个挥拍轴3初始状态呈“ X ”型布局(相连翼面I之间夹角90度)，每只拍翼具有两个运动自由度，分别是绕挥拍轴3的转动和绕攻角轴2的转动，两个自由度的运动可以独立控制，也可以统一控制，也可以是挥拍运动主动控制，攻角被动改变；四只拍翼的运动可以是对称的(推进或后退)，也可以是不对称的(转弯或上浮下潜)；使用时，拍翼水下和水面推进器固定在水下航行器尾部，轴基座4轴线与水下航行器轴线一致，使得整个推进机构在轴基座4的带动下可绕航行器轴线旋转至任意角度，以实现任何方向的转弯机动。当推进机构没有绕航行器轴线旋转而呈初始“X ”型布局时，呈推力状态。当推进机构其中一个翼面I绕航行器轴线旋转到竖直朝上时，即推进机构由“ X ”型转动到“ + ”型布局时，推进机构作为常见的尾舵使用。
[0021]所述拍翼动作的频率、幅度可以实时调节。
[0022]拍翼可以是刚性的，也可以是柔性的，也可以是部分刚性、部分柔性的，拍翼形状可以与常规的尾舵形状相同，也可以不同。
[0023]所述翼面可以设计成可变形的，包括刚性主翼和柔性副翼，主翼形状与常规的尾舵相同，副翼可折叠在主翼内。副翼折进主翼后可以降低航行阻力。使用拍翼推进时，推进机构绕水下航行器轴线旋转，使得四只尾翼呈“ X ”型布局，副翼从主翼中展开，以增大推力。
[0024]此种拍翼推进方式适合应用各类航行器，包括水面和水下航行器，如潜艇、船舶、鱼雷、仿生水下机器人等，以达到降低噪声，提高机动性的效果。
[0025]四只拍翼的分布方式不一定是在同一平面内呈正“ X ”型或者处于同一平面内，可以根据航行器的外形和实际需求改变拍翼的布局，如两侧的两对拍翼相隔较远、分别位于航行器的左右两侧；四只拍翼在航行器轴线方向的位置可改变，如上面一对拍翼靠近航行器头部一点、下面一对拍翼靠近航行器尾部一点。
[0026]航行器上可安装多组拍翼推进器，例如安装两组时，一组位于航行器头部，并可折叠进头部内，一组位于航行器尾部，以提供更好的机动性能。
[0027]图1也是拍翼推进方式推进动作示意图。四只翼面I在任意时刻保持挥拍角和攻角的大小相等。初始时刻，两侧的两对翼I面开始相隔较远，翼面沿攻角轴转动，变化到一个可以产生推力的攻角角度，接着沿挥拍轴相对拍动，在这个挥拍的过程中，翼面攻角保持不变，直到相向运动的两对翼面合到一起，然后翼面再沿攻角轴转动，攻角变化成另一角度，然后翼面沿挥拍轴反向拍动，由于挥拍方向的改变，这个过程中翼面仍然保持着可以产生推力的攻角，直到相向运动的两对翼面合到一起，紧接着翼面沿攻角轴转动，攻角再度变化，回到初始时刻角度，这便完成了一个推进周期。在此过程中，翼面的攻角保持不变时，推进系统产生定常推力(推力大小不变)，在翼面攻角发生变化时，推进系统产生非定常推力(推力大小随时间变化)。
[0028]本发明模仿鸟类和昆虫的拍翼动作，既可以独自实现推进和机动，也可以与螺旋桨推进器协同工作。拍翼推进器共有四只拍翼，安装在水下航行器尾部周围，四只拍翼的挥拍轴沿水下航行器尾部周向呈“ X ”型布局，每个挥拍轴可以绕着水下航行器尾部轴线进行转动，拍翼可以绕着挥拍轴转动。每个拍翼的挥拍角(挥拍轴偏离初始位置的角度)和攻角(拍翼翼面与水下航行器轴线的夹角)实时变化，且任一时刻相邻拍翼的挥拍方向相反(相对或相离)，通过改变攻角的正负可以实现前进或后退。使“ X ”型右侧的两只拍翼保持静止，左侧的两只拍翼不对称挥拍(合拢时翼面与挥拍方向垂直，张开时翼面与挥拍方向平行)，在水下航行器尾部产生一个向右的侧向力，即可实现左转；同理，也可以实现水下航行器的右转、上浮和下潜。推进机构设计为可绕水下航行器轴线旋转至任意角度，从而实现任意方向的转弯机动。
[0029]本发明的拍翼水下和水面推进器、航行器及推进方法，充分借鉴了鱼类游动和鸟类飞行机理，并结合水下航行器设计的技术要求，在结构设计、总体布置、运动平衡等方面进行了突破，通过四只拍翼的配合挥拍来实现推进和机动，与现有水下或水面航行器螺旋桨推进方式相比，有如下优点:
推进方式遵循自然界生物的游动推进机理，流体性能更加完善，可以提高水下航行器的推进效率和机动性能。
[0030]拍翼的总体布置对水下航行器改动要求小，便于工程实施。
[0031]拍翼推进方式产生的转向力矩大，转弯半径小于螺旋桨推进器的转弯半径。
【权利要求】
1.一种拍翼水下和水面推进器，其特征在于:包括圆形轴基座和设置在轴基座上的四个相同大小的拍翼；各拍翼依次通过水平设置的攻角轴和竖直设置的挥拍轴活动连接在基座上，且各拍翼均能单独绕所在的攻角轴和挥拍轴分别旋转构成二自由度旋转机构；四个挥拍轴在轴基座上以基座中心对称设置使得四个拍翼在初始状态成“ X ”型布局，且拍翼能够随轴基座绕轴基座中心轴线做被动旋转。
2.根据权利要求1所述的拍翼水下和水面推进器，其特征在于:拍翼为刚性或柔性材质,且各拍翼截面呈直角梯形,上边为斜边,下边为直角边,斜边的较高端位于基座端而较低端位于外沿；各拍翼翼面中间突出并分别以弧面延伸方式圆滑过渡到上下两边；或者所述翼面为由刚性主翼和柔性副翼构成的尾舵形状，柔性副翼能够折叠在刚性主翼内。
3.根据权利要求1或2所述的拍翼水下和水面推进器，其特征在于:竖直设置的挥拍轴高度一致或不一致。
4.一种采用权利要求1-3之一所述拍翼推进器的航行器，其特征在于:将一个推进器设置在航行器尾部；或者航行器上安装多个拍翼推进器；推进器圆形基座的中心位于航行器轴线上。
5.根据权利要求4所述的航行器，其特征在于:航行器上安装两个推进器时，一个位于航行器头部，一组位于航行器尾部。
6.根据权利要求4或5所述的航行器，其特征在于:所述航行器为潜艇、船舶、鱼雷、或仿生水下机器人。
7.一种采用权利要求1-3之一推进器的推进方法，其特征在于:每个拍翼的挥拍角和攻角均实时变化，且任一时刻相邻拍翼的挥拍方向相反，通过改变攻角的正负实现前进或后退；四只翼面在任意时刻保持挥拍角和攻角的大小相等；右侧的两只拍翼保持静止，左侧的两只拍翼不对称挥拍，在水下航行器尾部产生一个向右的侧向力，即实现左转；同理，实现水下航行器的右转、上浮和下潜。
8.根据权利要求7所述的推进方法，其特征在于:一个推进周期的步骤如下: 初始时刻，两侧的两对翼面开始相隔较远，翼面沿攻角轴转动，变化到一个可以产生推力的攻角角度，然后接着沿挥拍轴相对拍动，在这个挥拍的过程中，翼面攻角保持前一刻的攻角不变，直到相向运动的两对翼面合到一起，然后翼面再沿攻角轴转动，攻角变化成另一角度，然后翼面沿挥拍轴反向拍动，由于挥拍方向的改变，这个过程中翼面仍然保持着可以产生推力的攻角，直到相向运动的两对翼面合到一起，紧接着翼面沿攻角轴转动，攻角再度变化，回到初始时刻角度，这便完成了一个推进周期；在此过程中，翼面的攻角保持不变时，推进系统产生定常推力，在翼面攻角发生变化时，推进系统产生非定常推力。
【文档编号】B63H1/02GK103466064SQ201310442258
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月26日 优先权日:2013年9月26日
【发明者】敬军, 高东奇, 许建 申请人:中国舰船研究设计中心