17、水下喷射循环逃脱与单螺旋桨高效水空推进技术解析

水下喷射循环逃脱与单螺旋桨高效水空推进技术解析

1. 水下喷射推进器的波浪耐受性

水下喷射推进器在多个场景下展现出了出色的性能。研究中的推进器能够在水箱和室外池塘中实现多次水上起飞。这得益于其脉冲驱动力超过机器人自身重量的 25 倍，使得它对水面状态相对不敏感，甚至能在波浪条件下实现喷射起飞。

根据建模和实验验证，当机器人与水面夹角在 10°至 90°之间时，能够成功脱离水面。研究人员还对不同波浪大小和周期下机器人的旋转情况进行了实验跟踪。不过，如果机器人受到来自前方特别陡峭的波浪冲击（这是最关键的情况），就会发生倾覆，导致起飞失败。这种情况通常出现在波高与周期比值较大的波浪中。但总体而言，在不同波浪的大多数位置，机器人都展现出了良好的飞行性能预期。

2. 单螺旋桨水空高效推进的背景与挑战

此前，小型飞行机器人已实现了水上发射和潜入水中的功能。例如，AquaMAV 原型能够在空中自主飞行并脱离水面，但它在水面以下缺乏推进手段。为了增加水下推进能力，使用与飞行相同的推进系统是一个有吸引力的选择，因为这可以减轻系统重量并降低复杂度。然而，在密度更大的流体（水）中，螺旋桨的负载增加，导致旋转速度大幅降低，电机效率也显著损失。

3. 计算研究

为了深入了解电动螺旋桨在空气和水中运行的差异，研究人员使用 QPROP 对电机 - 螺旋桨组合进行了分析，研究了螺旋桨几何形状、电机参数和运行条件对整个系统推力产生和效率的影响。
- 螺旋桨建模 ：螺旋桨通过直径和螺距（直径×螺距）来标识。研究中使用 3D 激光扫描仪（FARO Edge ScanArm，精度为 25µm）对螺旋桨进行