水空跨介质航行器推进系统设计与性能分析
摘要
水空两栖跨介质航行器是一种兼具水下潜航、空中飞行、反复跨越水空介质出入水
特性的新型海洋无人航行器，在跨水域快速取样、海上应急搜救、水空通信中继、侦察
监视、时敏打击等方面均具有广阔的应用前景，是当前海洋无人航行器领域重点研究方
向之一。
由于水的密度是空气密度的800倍左右，适用于空气中推进的电机-螺旋桨系统在
水下工作时，低转速就会产生高扭矩，电机受输出扭矩限制，转速受限无法达到高效输
出范围，且容易导致电机在工作时发生堵转，乃至在启动时过载损毁。因此，有必要对
水空两栖跨介质航行器推进系统开展进一步研究。
本文以团队研制的水空两栖跨介质航行器“长弓二号”为对象，开展水空两用螺旋桨
推进系统研究，主要工作内容包括：
（1）以多个空气螺旋桨静推力实验数据为基础，确定水空两用螺旋桨母型；采用
加权拟合水空两栖推进系统工作耗能并评估的螺旋桨优化设计方法，在所选母型桨的基
础上，对考虑电机-螺旋桨匹配问题的水空两用螺旋桨进行设计；参照这种设计思路及
流程，对其他水空单推进系统跨介质航行器，均可以根据其工作环境和技术条件，设计
出适合自身的水空两用螺旋桨。
（2）将优化后的水空桨机桨匹配结果作为设计输入，以维持推进系统高效运行为
设计目标，开展水空两用推进系统减速器设计，形成了基于差动行星齿轮的减速器设计
方案，采用瞬态动力学分析方法，校核了行星齿轮系在水下高转速工况下满足瞬时应力
强度要求，计算了无减速器时推进系统的工作效率，验证了减速器设计充分发挥了电机
在水下的推进潜能，该设计具有可行性及优越性。
（3）将所设计的水空两用推进系统与“长弓二号”水空跨介质航行器相结合，分别
在水空两种介质中进行流体动力学仿真计算，分析了航行器机身和螺旋桨间的相互影响，
验证了该推进系统满足不同工况对推力的使用需求，在基本维持空中推进性能的基础上，
大大提高了水下航速范围。
本文面向“长空二号”水空跨介质航行器，设计了一套水空两用推进系统，在空中
推进效率基本保持不变的基础上，提高了航行器在水下的推进效率，扩大了航行器在水
下的航速范围，解决了实际的工程问题。
哈尔滨工程大学专业硕士学位论文
关键词：水空跨介质航行器；水空螺旋桨设计；推进系统设计；差动行星齿轮；艇桨相
互作用
水空跨介质航行器推进系统设计与性能分析
Abstract
Aquaticunmannedaerialvehicleisanewtypeofmarineunmannedvehiclewiththe
characteristicsofunderwatersubmersible,aerialflightandrepeatedlycrossingthewaterand
airmedium.Ithasbroadapplicationprospectsincross-waterrapidsampling,maritime
emergencysearchandrescue,waterandaircommunicationrelay,reconnaissanceand
surveillance,time-sensitivestrike,etc.Itisoneofthekeyresearchdirectionsinthefieldof
marineunmannedvehicles.
Sincethedensityofwaterisabout800timesthatofair,themotor-propellersystem
suitableforairpropulsionwillproducehightorqueatlowspeedwhenitworksunderwater.
Themotorislimitedbytheoutputtorque,and