科创中国

行业领域

航空航天技术,高端装备制造产业,新一代民用航空运行保障系统

需求背景

跨介质海空无人机作为一种能够在空中和水中两种介质中自由切换并执行任务的飞行器，它是将潜艇和飞机的优势集与一体并将其融合，在未来军事和民用领域有广阔运用价值和前景。它可执行军事任务和实现海上应急救援、探测深海地质地形、海洋资源勘探等多种功能，为未来军事和民用领域带来颠覆性变革.

随着军事科技的变革，各国也开始重视跨介质无人系统的开发。借助于单介质无人机的成熟技术，国内外研究人员开始着手于研制跨个质飞行器。其中跨海空两介质无人机研究很广泛，在美、英等发达国家，麻省理工学院、英国帝国理工学院、苏黎世联邦理工学院、NASA 等国外知名高校研究机构在进行研制跨个质海空无人机并取得一定成果。在国内，上海交通大学、北京航空航天大学、同济大学、南京航空航天大学、哈尔滨工程大学、中科院沈阳自动化所等高校研究所也在同时开展研究跨个质海空无人机。

总而言之，我们需要加紧加快海空跨介质原理及其应用功能方面的研究和技术的实现。

需解决的主要技术难题

***海空两用动力系统创新

该海空两用动力系统具有首创性，该系统使用海空两用涵道风扇，将传统的两套海中和空中动力系统合二为一，通过理论资料分析设计出控制系统对其调控，巧妙地找到了空中涵道风扇与水下动力推进器的平衡点。电磁锁与矢量舵机使海空两用涵道风扇旋转使海空两用动力系统能够提供矢量动力

组成结构：该海空两用动力系统由动力部分:海空两用涵道风扇，矢量倾转角度控制部分矢量倾转舵机，电磁角度锁，传动构件所组成。

优势：1海空两用涵道风扇推重比大。 2海空无人机有全方位矢量推力跨介质的机动性能强。3海空两用涵道风扇效率高，能源利用率大.

***浮力控制机构创新

海空无人机创造性地将浮力控制机构应用于跨介质飞行器上，解决了由于介质密度不同而造成跨介质机动性能变弱的问题，提高海空无人机执行任务时的整体稳定性与深度保持能力。

组成结构：该浮力控制机构主要由抽水泵、止流阀、空气储存舱、海水储存舱四个机械部分组成。止流阀包括进出水止流阀和防溢止流阀，

优势：1该浮力控制机构配合海空两用涵道风扇能够强化无人机的跨介质能力。2使海空无人机能够在水下机动时维持准确的下潜深度。

期望实现的主要技术目标

对于该海空无人机，我们就制定的方案对于海空无人机的系统与机械结构展开研究，以下为我们的研究方法与方案。

首先对海空无人机进行一个整体的想法与构思，结合查阅的海空无人机各系统组成与机械结构的文献，大致确定海空无人机的整体系统组成与机械结构，接着利用建模软件建立海空无人机的三维数字模型，并采用运动仿真。接着在软件上对海空无人机的海空两用动力系统、机舱等结构进行流体运动仿真模拟与分析得到模拟分析结果，论证其理论上可行性。之后，我们先在高性能计算机上搭建虚拟机，运行搭载ROS的Ubuntu 操作系统，进行对PX4 控制、Slam 建图等功能包和深度学习等算法的学习与模拟。其次，经过各种运动模拟分析、ROS代码验证，我们将会制作海空无人机第一代样机，结合 Pixhawk 在海空无人机上进行实机测试对虚拟机上运行的相关代码进行实验验证，并通过实验结果对代码进行修改与优化。最后，我们将海空无人机的实际数据与模拟仿真理论参数 (总重、载重、体积、升力等参数)进行比较、分析，再优化与完善，通过以上研究方法最终得到具备完善功能的海空无人机。

海空无人机创意实现主要分为以下几个阶段，第一阶段，空中平台阶段，第二阶段，海空两用平台阶段，第三阶段，外设功能实现阶段，第四阶段，算法功能实现阶段;第五阶段，外设与算法二次开发阶段。

需求解析

解析单位：“科创中国”航空制造产业科技服务团（中国航空学会） 解析时间：2023-11-23

杨亮

中国航空学会

高工

综合评价

跨介质无人机的结构跟普通无人机不一样，我们知道传统飞行器设计是尽量轻的，为减少每一千克重量而努力，而在高密度的水介质中，飞行器不能像空中那么轻，不然从结构力学角度来看，就要在很大的压力和阻力等力的作用下解体或损坏，因此在结构设计上也必须兼顾水介质和空气介质的不同特点，设计也跟普通飞机完全不同。 除了保障无人机尽量轻的情况下能够在水下耐压耐阻结构足够坚固，跨介质无人机还必须具有很好的水密封特性，不然在海中潜行时进了水那就糟糕了。 跨介质无人机的发动机肯定也跟普通无人机不一样。普通飞机使用吸气式发动机，但在水介质中，吸气式发动机很显然是无法正常工作的，因此就需要选择在水介质和空中都能正常工作的发动机，比如电动发动机等。

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