水翼样机设计

大致模板

尺寸（长宽高）173.5 * 81.4 * 95cm

方案初步设计

冲浪板设计

轮廓设计

冲浪板的轮廓（outline）或平面形状是冲浪板最明显的特征。任何板的整体平面形状一般由常见的板型参数决定的——长度、板头宽度（nose width）、宽点（wide point）宽度和板尾宽度（tail width）。

长度确定：冲浪板通常分为长板、中板、短板三种尺寸。长板的标准长度是在九英尺（约2.74m）以上，短板的标准长度是在七英尺（2.13m）以下，中板的尺寸介于长板和短板之间，兼具长短板不同的特点和优点。长板提供更好的稳定性，更容易在波浪中保持平衡。此外，长板在小波浪和不太理想的条件下表现更好。短板可以实现更高的速度和更强的操控性，能在大波浪中完成更复杂的动作。

考虑到整个跨介质机器人长约1m，设计的水翼样机长度初步定为0.6m，即60cm。

板头宽度

在短板上使用较宽的板头（大于11英寸），有助于弥补板排水量的整体减少，在较平的冲浪板上，较宽的板头有助于产生更多的升力。但一般来说，短板性能板的板头宽度（鼻部宽度）约在11英寸（约28厘米）到12英寸（约30.5厘米）之间。这种设计使得短板在波浪中更具灵活性和敏捷性，以便完成更为复杂的冲浪动作。

考虑到上述情况，设计冲浪板板头宽度初步定为11英寸（约28厘米），在等比例缩小0.5后为14cm。

板尾宽度

较宽的板尾（大于14英寸）设计最常见于适合较小、较软的浪，以及具有4个或更多尾鳍的冲浪板上。更宽的板尾使得移动缓慢的冲浪板可保持在水面上滑行。通常，短板性能板的板尾宽度约在14英寸（约35.5厘米）到15英寸（约38厘米）之间。这种设计有助于提供更好的操控性，使冲浪者能够在波浪中轻松地调整方向和完成高难度的动作。

在这里，如上取中间值，设计冲浪板板尾宽度初步定为14英寸（约35.5厘米），在等比例缩小0.5后为17.78cm。

宽点

性能短板的宽点经常出现在板长的中点后面，而在许多复古板、长板和枪板的宽点则在中点之前。将宽点向后移会缩短冲浪板的转弯半径，但会影响驱动力。而宽点前移会使转弯半径更大，但保持了更多的驱动力。将宽点置于板长的中点通常被认为是“中性的”。这种设计在驱动力和响应能力之间取得折衷。

较宽的板（19英寸或更宽）比较窄的板具有更多的排水量和板底面积，在所有其他条件相同的情况下，这增加了浮力和划水的便利性。更宽的板也更稳定，更宽的板尾也是如此。通常情况下，短板性能板的宽点宽度约在18英寸（约45.7厘米）到20英寸（约50.8厘米）之间。这种设计有助于在保持操控性的同时，为冲浪者提供一定的浮力和稳定性。

在这里，如上取中间值，设计冲浪板的宽点置于板长的中点，宽点宽度初步定为19英寸（约48.3厘米），在等比例缩小0.5后为24.13cm。

板面曲面

冲浪板的板缘到板缘之间的横剖面也是“翼型的/foiled”，通常在龙骨处最厚，然后向外朝着板缘平滑地逐渐变薄。这种翼型形状不仅决定了板的厚度，也有助于确定板缘的厚度和排水量。因为板面可能是平的（flat）、圆顶的（domed）、凹型的（concave）或介于两者之间的任何形状。一般来说，板面越平，板面侧的排水量越往板缘分布，板的总排水量就越大，这种设计旨在提高稳定性和驱动力。

薄的板（最厚处为2.375英寸即6.0325cm或更薄）更容易变形，更难划水，同时驱动力也更小，但反应更快；这类板非常适合较好的浪和块头小或较高阶以及划水有力的冲浪者。厚的板（最厚处2.5英寸即6.35cm或更厚）不太可能折断，但在弹性变形方面显得刚硬，同时由于浮力增加使得划水更容易，且更有驱动力。

在这里，考虑到稳定性和驱动力以及控制区域的设计要求（电池高约4cm），设计初步选择平的曲面，厚度为8cm。

冲浪板翘度

典型的现代性能短板在板头尖处有大约5英寸的板头翘度，在板尾尖处有大约2又1/4英寸的板尾翘度。所以对于大多数冲浪者来说，每种板的性能参数几乎都是预先确定的。大翘度（heavy rocker）或说非常弯曲的板会产生相对较大的升力和阻力，小翘度的板产生的升力小，但阻力也小。

以下是一个简单的表格，显示了几种不同类型常见长度的冲浪板的典型（板头和板尾）翘度规格：

在这里，根据短板的典型值，设计的翘度为5英寸（约12.7cm）和2.5英寸（约6.35cm）。

板尾形状

目前为止最为流行的板尾是圆方尾，它提供了很多人理想中的升力和释放之间的平衡 ——其形状使得转向剧烈但流畅。

综合，考虑板尾设计为圆方尾。

板底设计

在理论上将所有板底（曲面）设计按特征分为三类：平面/平的（flat）、凹面/凹的（concave，俗称水槽）和凸面/凸的（convex）。平底以非常可预测和平衡的方式发挥作用，特别是在中等速度和中等尺寸的浪中。许多削板师都同意，在一定条件下平底冲浪板是所有板底设计中效率最高、速度最快的。

综合，考虑板底设计为平底。

水翼设计

基于前几周科大的师兄的水翼设计文档以及文献T 型水翼结构及轻量化设计，初步确定了水翼的基本参数。其中：b 为立柱高度，c 为立柱弦长，d 为水平主翼翼展，cr为翼根弦弦长，ct为翼尖弦弦长。

翼型确定

基于对于水翼样机运行高速稳定等条件需要，NACA 系列翼型相对成熟且调用方便。因此，本文选择 NACA4 位翼型。

NACA0021 翼型为对称翼型，可以承受较大压力，故选用此翼型为立柱翼型。

NACA2421 翼型具有良好的升阻比性能及较大的失速攻角，可以产生较大升力，故选用此翼型为水平主翼翼型。

立柱翼型参数确定

根据设计要求以及参考水翼冲浪板的设计，立柱高度为15cm。

立柱翼型的展弦比

由图可知：水平主翼保持不变，立柱展弦比由1 到 10 时，T 型水翼升阻比和升力系数先增加后趋于稳定。因此，当立柱展弦比取 6 时，T 型水翼具有较大的升阻比和较好的水动力性能。

根据设计要求，立柱高度为 15cm，因此确定立柱弦长为2.5 cm，厚度为5.25mm。

前水翼翼型参数确定

基于科大师兄们的前期工作，确定水翼的基本参数。水翼机翼展弦比为5，水平主翼尖削比为 0.2，水翼攻角为 6°时具有较好的水动力效果。翼展和弦长如下（其中：l为翼展，b为平均弦长）：

l(m)	5m/s	10	15	20
1	0.0965	0.0607	0.0462	0.0381
1.5kg	0.1182	0.0743	0.0566	0.0467
2	0.1365	0.0858	0.0654	0.0539
5	0.2158	0.1356	0.1034	0.0852

b(m)	5m/s	10	15	20
1	0.0193	0.0121	0.0092	0.0076
1.5kg	0.0236	0.0149	0.0113	0.0093
2	0.0273	0.0172	0.0131	0.0108
5	0.0432	0.0271	0.0207	0.0170

以整体跨介质机器人为考虑对象，重约1.5kg，最大滑行速度≥5.56m/s，最大潜行速度≥2.78m/s，根据上表选择1.5kg，10m/s速度下的参数。

即翼展（l）为7.43cm，平均弦长（b）为1.49cm，厚度为0.32cm，具体如下图

前水翼控制

上图为控制两个水翼pitch运动的连杆机构，通过参考这个进行设计。

水翼的yaw运动，暂时还未有较好的想法。

尾翼翼型参数确定

尾翼基于前翼的2/3设计。即翼展（l）为4.96cm，平均弦长（b）为0.83cm 。

连接件长度确定

设计一个类圆锥形的连接前水翼和尾翼的连接件，长度为18cm，半径和电机配套。

电路设计

模块整定

模块	数目	重量	规格（长宽高mm）
雷迅V5+	1	91g	85.5 * 42 * 33
雷迅自带电源管理模块	1	20g	——————
格氏4s120c2000mah电池	1	215g	77 * 38.5 * 41
四合一60A电调	1	14.5g	——————
2429防水电机	1	55g	——————
2429配套桨叶	1	3.9g	——————
5kg微型舵机	2	12g * 2	——————
M10深度传感器	1	17.2g	——————
总重	——	440.6g	——————
具体水翼部分总重	——	100.1g	——————

具体水翼部分

30bar即300m，0.2mbar即2mm。

耐压密封部分

根据情况，设计玻璃耐压仓。