聚焦科研 | 浅谈复合材料跨介质航行器设计与研制技术

发布时间：

2021-12-24

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　　近年来，各海洋强国均制定研发规划，大力支持水下无人航行器（AUV）的发展。美国2011年发布《2030年海洋研究与社会需求的关键基础设施》报告，提出包括水下滑翔机（AUG）和水下机器人在内的观测平台类海洋研究基础设施的规划建议；2016年发布《2025年自主潜航器需求》报告，提出致力于提高AUV的独立性，确保AUV可在最少人员干预下运行数日或数周；2018年发布《美国国家海洋科技发展：未来十年愿景》报告，规划研发船舶、潜水器等装备。
　　同时，我国“十四五”规划和2035年远景目标纲要明确提出，积极拓展海洋经济发展空间，坚持陆海统筹、人海和谐、合作共赢，协同推进海洋生态保护、海洋经济发展和海洋权益维护，加快建设海洋强国。

　　发展高端海洋仪器装备，实现海洋全方位观测、监测、定位和通信，是提高我国海洋信息化程度的重要保障。跨介质航行器是一种可以自由跨越水面、灵活切换工作环境的新型海洋装备，且具有自主性强、高效机动、可适应复杂水况等优点。根据其搭载的功能性模块不同，在水资源利用等领域都具有重要的用途。跨介质航行器可以单独完成洪灾、台风、海啸等自然灾害条件下的搜索和通信中继等任务，还可以进行海洋资源勘探、海洋平台和结构物的监察、全范围集成化的海图绘制、海洋水质监测、生物观测、水文气象测量等。
　　跨介质航行器兼具“无人机”和“无人潜航器”的特征，它的设计与研制涉及到力学、制造、机械、控制、材料、软件等多学科交叉。关键技术主要体现在材料、低阻力技术、降噪、推进/能源系统、控制系统、导航系统等方面。由于要跨越水-空介质，而复合材料具有大浮力、大强度、耐腐蚀、抗生物附着、低噪音等特点，从而跨介质航行器材料开发的重点是选择轻型复合材料。基于目前复合材料航行器的研究现状，美国仍然是复合材料技术发展最先进、应用最广、用量最大的国家。然而，复合材料航行器在我国却鲜有报道，更是缺乏产业化支撑。
　　跨介质航行器是近年来提出的新概念飞行器，尽管目前国内一些机构已开始着手相关方面的研究和探索工作，并已积累了一些技术积累和研究经验，然而与国外相关研究相比，我国还急需在概念设计、样机结构设计、结构轻量化设计、介质转换方式等方面开展一系列的研究，以推进该特种复合材料航行器的研发进程。因此，现阶段研制复合材料水-空跨介质航行器，需要重点突破航行器跨越水下-水面-空中不同介质的关键技术，包括总体方案设计、水动力分析和结构强度校核、仿生可变体机翼技术等，发展我国自主的系列化复合材料水-空跨介质航行器工程样机，并面向水资源利用与环境检测，集成多种传感器，开展应用测试；同时开展航行器跨介质过程数值预报方法和运动稳定性机理研究，开发航行器穿越水-空介质过程的精细化模拟方法，为航行器设计提供技术支撑；并在固化水-空跨介质航行器样机的设计及复合材料生产工艺参数基础上，建立水-空跨介质航行器规模化设计及生产技术体系，实现产品化和批量化生产，并带动相关产业的发展。
　　参考文献
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　　【4】李宏源,徐丽,梅蕾,王大政,高连胜.基于ANSYS的复合材料帽型骨材结构优化及等效研究[J].船海工程,2015,44(01):23-28.
　　【5】杨兴帮,梁建宏,文力,王田苗.水空两栖跨介质无人飞行器研究现状[J].机器人,2018,40(01):102-114.
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