如果一种飞行器既可以在空中飞行,也可以在水中航行,并且可以在二者之间自由穿越,这种飞行器就是跨介质飞行器。跨介质飞行器以其天然的灵活性和隐蔽性受到了世界各国科学家的青睐,根据技术路线的不同,跨介质飞行器的出水方式拥有多种不同的划分。
一种常见的跨介质飞行器出水方式是水上滑跃,典型的代表为水上飞机。“海标枪”是20世纪50年代美国研制的一款大型水上飞机,其机身设计为类船形结构,机体底部布置有滑水橇,飞机具有水上滑行能力,可以在水面上获得足够的速度,利用滑板提供的水动力和机翼提供的升力腾空而起,实现跨介质飞行。这种水上滑跃的出水方式通常需要飞行器具备良好的水动力学设计,以确保飞机在水面滑行时能够保持稳定并获得足够的起飞速度。
图1美国康维尔XF2Y-1“海标枪”水上飞机
另一种常见的出水方式是采用垂直起降技术,这种飞行器最直观的特点就是拥有类似于直升机的螺旋桨。“潜鹰”号飞行器是垂直起降跨介质飞行器的代表,它的机身两侧和尾部都布置有高升力螺旋桨,通过桨叶转动提供向下的推力,飞行器可以逐渐腾空并实现从水中到空中的平稳过渡,从而实现水空介质的切换。这种方式的跨介质出水方式的难点在于垂直起降系统的设计和控制系统的匹配,飞行器在两种介质中的平稳切换是尤其要注意的。
图2“潜鹰”号空海跨介质飞行器概念图
还有一种出水方式是潜射起飞出水方式,如潜射无人机。这种跨介质出水方式是借助发射筒来实现的,飞行器一般不会直接接触水。潜射无人机装入发射筒后一般会提前预置到特定的水域,需要出水时会通过压缩气体或者其他推进系统,将无人机从水下发射筒中推出并向水面或空中移动完成出水。潜射起飞出水方式的核心要求点是需要设计相应的水下发射装置,通常包括水密舱、发射管道和压缩气体系统等。
图3 水下发射无人机示意图
自然界中最常见的出水方式是通过仿生扑动实现的,不同于其他的出水方式,这种出水方式的灵感完全来源于自然界。飞鱼出水行为在自然界中是十分壮观的,震撼之余同时也激发着工程师和设计师们对于跨水空介质飞行器设计的灵感。通过设计可快速摆动的翅膀和翼鳍,利用运动的动量即可在水面上产生足够的升力完成跨介质运动的高难度动作,这一直是一代又一代科学家们不懈的追求。
图4 飞鱼出水
跨介质飞行器的出水方式不仅需要考虑到水面和空中两种介质的特性,还需要考虑飞行器的稳定性、控制性能和能效等多方面的要求,是充满挑战和创新的研究方向。随着人类科技的进步,跨介质飞行器将朝着更高效、更安全、更智能的方向发展,也会有更多更新颖、更便捷、更可靠的跨介质出水方式与我们见面。(中国航天三院水下装备总体部 李表全)
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