0 引　言

随着人类对自然空间的不断探索，船舶和航空技术在各自的领域里都取得了巨大进步。飞行器速度快、机动性能好，而水下潜航器可以更好更精确地进行各种水下作业，但面对探索范围需求的不断扩大以及多数水域水况复杂，单一介质的航行器可能会出现损坏或无法完成探测任务的情况，因此潜空两栖航行器的概念被提出。跨介质水空无人航行器结合了飞行器和潜航器2种航行器的优点，拓宽了探索范围，逐渐成为不可或缺的重要装备之一。然而，由于水和空气环境之间的差异显著，航行器需要解决一系列复杂问题以满足2种介质的需求^{[1 − 2]}。本文系统分析了单介质航行器中飞行器和水下航行器的特性，并且详细讨论水空两栖航行器的关键技术，其中包括飞行结构、跨介质过程、变体技术，以及动力推进系统等，最后对水下无人航行器关键技术的研究做出了总结与展望。

1 单介质航行器研究现状 1.1 水下航行器

水下航行器（UV）主要分为可允许单人或多人进行潜水任务的载人航行器以及能够通过自身携带的模组系统在无人情况下完成水中作业的无人航行器2种。水下无人航行器主要有2种，一种是自主式无人水下航行器（AUV），它自带能源，可以独立完成所赋予的任务；另一种是遥控水下航行器（ROV），其主要特点是通过电缆完成能源供应或者数据传输，能实时传输、搭载能力强、工作时间长。其中AUV代表了水下无人航行器发展方向的高新技术，是海洋技术与智能装备的重点研究方向之一^{[3 − 5]}。

外形设计方面，水下航行器设计的关键问题在于降低阻力，减小能耗。在外形设计时不仅要考虑阻力和承载力，还要兼顾主体内部的空间利用率。目前世界上典型的水下航行器外形方案大概有鱼雷式回转体形、球形、扁平形3种方案，如图1所示^{[6 − 8]}。

3种类型的耐压壳体中，球形的转向阻力小但直线阻力大，它的优势在于抗压性强，若不考虑加工误差，在均匀压力下各中面主应力相等，所以具有最佳重量与排水量比；扁平形的直线和转向阻力都小，但上浮和下潜阻力大，易受向上洋流的影响；回转体形的水动力性能较好，在高速航行时所受阻力也小，它们一般体型较长，长细比L/D值较大，一般为5～8^{[9 − 10]}，这样设计的航行器速度更快、所受阻力小、内部空间利用率大，所以很适合速度快，续航要求高，能耗小的水下无人航行器。目前，除一些有特殊需求的水下航行器外，大部分水下航行器主体外形均选用回转体形^{[11 − 15]}。

材料方面，由于水下航行器的工作环境处于深水中，压强较大，所以航行器必须考虑材料的刚度和强度从而保证壳体的耐压性，使航行器在下潜深度相同时能保证最轻质量或者在质量相同时获得最大潜深；另一方面要保证重力和浮力相当，重量不宜过重，否则会加大能源消耗；最后还要考虑材料的可操作性，抗腐蚀性等^{[16 − 18]}。目前，水下航行器所采用的材料主要有铝、钛合金、钢，也有一些比较特殊的航行器使用了玻璃钢和玻璃这2种材料，小型航行器也有采用复合型碳纤维材料的情况。根据材料的弹性模量、许用应力等力学特性以及实际效果，比强度最好的是玻璃和玻璃钢，但是这2种材料的可操作性不强，经济性不高，另外相关研究不全面，发生材料破坏时，不能够保证航行器安全性，但仍然是未来研究的重点方向。钢材虽然在强度密度比上相对其他材料稍弱，但它的可操作性以及经济型等都显著优于其他材料，所以寻找到合适的具有较高强度的钢材可以弥补强度密度比上的缺陷；铝合金的加工特性、抗氧化性良好，可操作性高，钢和铝合金由于强度比的因素，在中浅水的装备中使用最为广泛。而钛合金的强度高，且耐腐蚀性能比较好，适合在深水航行器中使用，但是其密度远大于钢和铝合金，加工难度大导致成本较高。在航行器设计中，可以根据实际需求采用合适的材料^{[19 − 25]}。

动力推进方面，水下航行器动力系统主要有电化学能源系统、热动力系统，以及混合动力推进系统。近年来，也出现了一些新型动力推进系统，如太阳能、水下超导电磁流体、水冲压发动机以及仿生扑翼和水下滑翔技术^{[26 − 28]}。

1.2 飞行器

飞行器是一种能够通过静态升力或空气相对运动产生升力来抵消重力，或者通过喷气发动机的向下推力来抵消重力从而实现运动的航行器，它以速度快、居高临下、跨越障碍能力强等见长^[23]。

外形设计方面，飞行器有固定翼飞机、旋翼机（如直升机）、飞艇、滑翔机等几种类型。前者一般重于空气，依靠空气动力来克服自身的重力；后者轻于空气，依靠空气的静态浮力升空。利用空气动力克服自身重力是最常见的，大多数飞行器都是依靠大面积机翼或旋翼产生升力。固定翼飞行器具有、速度快、里程远、流线型好等优点，这类飞行器往往通过升降副翼或尾翼控制姿态和前进方向；而旋翼飞行器则有升降所需空间小、灵活且载重量大等优点，通过旋翼转速以及机身姿态调整从而完成控制，具有干扰敏感的特性，与固定翼飞行器相比，旋翼飞行器速度较慢、稳定性差^{[21 − 24]}。常见的固定翼飞行器气动布局如图2所示。

动力推进方面，水下航行器（如鱼雷等）使用的喷水推进器、水下螺旋桨等不能在空气中工作，大多数飞机发动机采用涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机或者一些轻型往复式活塞发动机，小型航行器通常采用电动机^{[24 − 27]}。

材料方面，飞机的制造通常会使用高强度钢、合金和复合材料等，机翼与机身连接部分由高强度结构钢制成；为了应对不同的压力，机翼和机身通常会使用硬铝作为表皮材料，它具有很高的抗拉强度和抗疲劳性。而小型航行器也有采用新型碳纤维复合材料来取代普通金属，这样做的好处是在保证结构强度的同时，极大地减轻了航行器的质量^{[21, 24]}。

2 跨介质航行器关键技术 2.1 跨介质航行器变体方式

跨介质航行器一般有空中飞行、水下航行、水面漂浮3种运动状态，需要适应水、空2种介质环境，因此航行器必须满足多种航行状态的要求。但是由于水空2种介质在物理性质方面存在巨大差异，航行器的水动与气动特性也截然不同，例如空中飞行需要大的机翼面积提高升力但在水中航行时会带来巨大阻力需要减小湿表面积。为了满足不同介质环境的需求，大部分跨介质飞行器采用了变体结构。如表1所示常见的变体方式有横向折叠、变后掠翼折叠以及仿生扑翼折叠等^{[29 − 32]}。

仿生扑翼是参考两栖水鸟进行设计的，它通过机翼在介质中的扑动产生动力，折叠时关节角变化改变翼展从而适应不同介质。这种变体方式适用于微小型航行器，同时由于扑翼有多自由度，所以采用这类变体方式的航行器也具有较强的机动性，这类变体结构通常采用与变后掠角机翼兼容的设计方案。目前已有的扑翼机都简化了机翼的几何形状，只能在俯仰角和翅膀形状保持不变的情况下拍打或被动控制，大大降低了运动学能力。瑞典隆德大学构建了一种机器人机翼，它配备天然羽毛，不仅能够独立和同时拍打、俯仰和折叠，还可以安装在不同行程平面角度的扑翼，模仿鸟在适应空气动力时的动作。整体通过一个差速齿轮传动装置和用于机翼折叠的独立数字伺服电机驱动。这种驱动机制可以在机器人的规格范围内实现机翼拍打、俯仰和折叠的任意组合^{[33 − 36]}。

横向折叠变体是机翼沿着翼展方向进行折叠，通过调整翼展方向的尺度进行收缩，也有部分航行器选择将机翼横向折叠在机身两侧，有效地减小入水冲击力矩和水下航行的流体阻力，廖保全等^[37]提出的一种向上折叠两次弹翼的航行器。但这种变体方式在折叠时，需要的驱动力矩较大，铰链关节处承受较大的冲击力，易发生损伤。

变后掠角机翼是机翼朝机体中线旋转实现折叠的变体方式，其设计思路是通过机翼前后转动改变后掠角大小，减小翼展和最大迎水面积，从而减小入水冲击力和冲击力矩，使航行器满足不同条件下的气动和水动力需求。在90°后掠角的情况下，翼展与机身方向平行，由翼根枢轴部分承担大部分冲击力，可以有效地减轻冲击对机翼结构的破坏。但缺点是变体机构复杂，重量大，对设计的要求较高。目前大多数变后掠角折叠方式的航行器都采用类似鲣鸟俯冲入水的变后掠翼结构。该变体方式的特点是结构简单，控制易于实现，但同样在翼根部铰链处需要较大的驱动力矩来实现折叠。

2.2 跨介质航行器介质过渡方式

介质跨越是成功实现海空作业的关键过程。根据任务不同，分为由空气入水和由水进入空气2个过程。

1）由空气入水的介质过渡

空气入水中的过渡一般可以分为2个大类。一种是俯冲入水，它是依靠自身的初始动能不经过缓冲直接进入水中；另一种是分步式入水，先降落到水面上，然后通过压载水舱或者自身的中性浮力实现下潜，常见的是水面滑行降落和旋翼机垂直降落。2种入水过程介质跨越方式如图3所示。

俯冲入水的优点是速度快，完成时间短，但这种介质跨越方式冲击力大，对机身和机翼的结构强度要求较高。俯冲入水有2个过程：下降阶段和潜水阶段。在下降阶段，航行器以一定角度向后折叠机翼，并通过调节升降舵使机身头部向下。在俯冲阶段，航行器通过彻底向后掠翼，将机翼升降舵调至0，并在机身即将接触水面时立即停止头部螺旋桨，从而以惯性自由落入水中。目前，使用这种入水方式的航行器一般采用可变结构设计，通过改变后掠角折叠机翼，从而减小迎水面积，降低入水冲击。另外俯冲过程要求航行器的运动方向近似垂直于水面，并且攻角相对较小^{[38 − 43]}。

分步入水相比于俯冲入水，变体时间宽裕，使用这种入水方式的航行器一般无变体结构和传动装置，易于控制和设计，且机身受到的冲击小。常见的分布入水方式有旋翼机垂直降落以及固定翼机的水面滑行降落。下潜过程通过降低螺旋桨转子速度甚至停止转子速度利用重力作用或者航行器中性浮力沉入水中，有些航行器也会利用压载水舱实现下潜。其中，中性浮力并不能完整地完成下潜操作，一般还需要组合喷水推进器获得推力入水^{[43 − 49]}。

2）由水进入空气的介质过渡

出水过程与入水方式类似，一般可以分为两大类，一种是依靠自身初始动能直接出水；另一种是分步出水，先浮出水面再进行水面起飞。2种出水过程介质跨越方式如图4所示。

直接出水的优点是速度快，但能耗大，且不易控制和设计，一般使用弹射以及射流的方式或者螺旋桨拉力出水。分步出水速度较慢，但是能耗低，易于设计，对于航行器的损耗也较小。它主要是通过压载装置或者抛出重物使航行器或者螺旋桨先上浮到水面上，然后进行水面起飞。常见的水面起飞方式有旋翼机垂直起飞以及固定翼机水面滑跑起飞^{[50 − 52]}。表2所示为不同跨介质航行器介质跨越方式。

2.3 跨介质航行器动力与推进方式

由于水空介质物理性质差异较大，推进系统的工作原理也截然相反，飞机使用的涡轮发动机，燃料助推器等不能在水中工作；而水下航行器使用的喷水推进器等也不能在空气中工作。因此，必须探索适合多介质环境的推进系统^{[53 − 57]}。

常见的跨介质航行器动力推进系统包括射流推进、电机控制的螺旋桨推进、以及混合动力推进等（见表3）。其中射流推进是航行器在出水阶段，依靠气体、液体、固体反应物的作用出水，可以为航行器提供强大动力；电机控制的螺旋桨推进系统由于不同的螺旋桨数量又分为一个多模态螺旋桨推进，2套组合螺旋桨推进以及多组合螺旋桨推进等；而混合动力推进结合了射流推进以及电机加螺旋桨推进，同时装配空中推进系统和水下推进系统。对于空中推进系统，由于空气螺旋桨可以保证防水性，所以一般使用空气螺旋桨搭配电机或者引擎作为空中推进方式，适用性较高。对于水下推进系统，一般使用喷水推进器或者桨作为水下的推进方式。近年来，由于仿生技术的不断发展，一些航行器逐渐采用噪声低、效率高的仿生鱼鳍作为水下推进方式。除了动力方面的差异，螺旋桨的使用也不尽相同。空中螺旋桨通常具有长而窄的叶片，以减少空气阻力并提高旋转速度。相比之下，水生螺旋桨的叶片又短又宽，以增加螺旋桨作用面积并搅拌更多的水，这种推进方式效率高，但是样机制作复杂且重量大。

一体化的组合推进系统是一种更先进的技术，但是这种方法对于能源和切换控制系统有着较高要求。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2个独立的装置。目前的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改造使空中螺旋桨适应水下环境。尽管一体化驱动技术可以减轻原型机的重量和结构复杂性，但空中螺旋桨在水下通过力执行的动态性能仍然有限，当前一体化驱动系统在水下工作时可能会面临效率低下的问题。

3 结　语

为了更好地理解跨介质航行器的应用前景及关键技术，本文首先从外形设计、材料、动力推进等方面研究了飞行器与水下航行器2种单一介质下的航行器，并结合2种航行器的优势与不足，对跨介质航行器研制过程中遇到的关键技术进行着重分析，主要包括：

1）介质跨越过程。出水是潜空跨介质航行器一个关键技术难题，出水过程中风浪对航行器的影响，以及出水后作为飞行器的稳态等都是亟待解决的问题。

2）变体方式。目前，绝大多数变后掠翼的变体形式为单自由度变体，主要改变了航行器的后掠角、展弦比等相对量，而对于影响航行器的绝对量，如机翼面积、湿表面积等变化却非常小。针对这种情况，可以采用新兴的智能变体技术，例如扑翼技术。近年来，研究人员对于扑翼技术的研究越发深入，但是，关于扑翼的研究成果以及扑翼样机的制作目前来看还比较少。

3）动力推进系统。目前跨介质航行器采用的动力方式大多为电机+空中水下2种推进系统的方式，这样不仅效率低，而且会影响航行器空间布局并增加结构重量。因此设计一种既能在空气又能在水中运行的推进器也是研究者考虑的问题，亟须研究一体化跨介质组合推进系统。