1）气体反应物。

按其工作原理可分为释放压缩气体和点燃烃类气体2种方式。释放压缩气体是一种广泛应用的方式。如图7（a）所示，在许多样机中，压缩CO2是主要动力来源，这种方式具有许多优点，安全可靠、气体释放响应时间快、反应物价格低廉、易获得等。但由于气瓶受限于样机尺寸，CO2储罐仅够单次水下发射，且需要经常更换，气瓶的气密性也难以保证，难以实现重复起飞。因此点燃烃类气体这种方式更适合应用于AquaUAV。Tolley等成功地使用液态丁烷作为跳跃式软体机器人的爆炸反应物来实现快速致动。类似的，氢气、甲烷、丁烷都具有很大的可压缩性，只需要小气瓶就能实现高存储容量，从而使样机更轻。此外，这种方式可以用于重复起飞。起飞时，只需要控制气阀放出可燃气体，用火花塞点燃，化学爆炸的冲击力就会将水喷出，实现跨介质过渡。然而，可燃气体释放量和氧气供应的控制精度是该方法实现最佳发射效率必须要考虑和解决的问题。

图7 喷水推进系统

2）液体反应物。

根据工作原理，它们还可以分为电解反应和自燃反应。电解反应的著名例子是水的电解，如图7（b）所示。通过电解板电解水收集氢气和氧气，从而增加样机的排水量，使其漂浮起来。到达水面后，用火花塞点燃气体，实现爆炸喷水推进发射。这样，既合理利用了样机的液体空间，且阶段的化工产品也对环境友好，实现了电能到化学能到机械能的整体转换。氢氧能是一种超高比能的能源，在未来的应用中需要克服电解板被环境液体腐蚀的问题，并且还需要提高气体的定量控制能力，才有可能应用于中大型AquaUAV。

自燃反应是一种应用于火箭发动机的推进原理，尚未有其应用于AquaUAV的报道。反应物是由高浓度过氧化氢催化分解产生的氧气，和雾化醇或煤油混合而成。借助高浓度过氧化氢的催化放热，无需单独的点火装置即可使反应物发生化学爆炸，从而实现喷水推进。Chen等使用与过氧化氢混合的煤油基燃料进行自燃反应，如图7（b）所示。团队成功地实现了21ms的低点火延迟和ΔH=32.5kJ/g的高热值。这种过氧化氢双组分燃料具有比肼更高的密度比冲，这一特性可能会使AquaUAV具有在水下和空中二次加速的可能性。但使用这种反应物推进的样机需要2个独立的液体储罐和1个合适的雾化系统，并且需要考虑高浓度过氧化氢的强氧化性和液体管道的合理设计。

3）固体反应物。

固体反应物可分为2种类型：一种是利用碱金属氢化物产生可燃气体并点燃，另一种则是利用固体反应物产生并释放高压气体。碱金属储存的氢气具有用作反应物的潜力，但氢气释放产生的大量热量具有一定的安全风险。因此，大多数类型的碱金属尚未被应用。然而，用电石与水混合产生一定量的乙炔气体，并使用火花塞点燃乙炔，该方法成功实现了AquaUAV在水面上的爆炸推进起飞，如图7（c）所示。与液体和气体相比，固体反应物往往具有非常高的能量密度，每次起飞只需要非常少量的反应物。固体反应物叠氮化钠已被应用于汽车中的安全气囊，其可以通过在高温下从叠氮化钠中释放的氮气或通过对车辆的外部撞击来打开。此外，叠氮化钠分解可用作脱轨技术的固态气体发生器，如图7（d）所示。当叠氮化钠用作气动微执行器时，几乎瞬间分裂以产生钠和氮。氮气可直接用于推进，钠可与水混合进一步用作附加动力。但在AquaUAV领域使用时应注意叠氮化钠的毒性和化学反应条件的合理设计。

电机与螺旋桨

基于电动机和螺旋桨进行推进也是一种很好的推进方式，大多数螺旋桨推进方式的能源是电池。螺旋桨的布局和结构是整个推进系统设计的关键。因此，根据螺旋桨的数量将这种推进方案分为3类，其螺旋桨的布局结构分别为1个多模式螺旋桨、2个组合螺旋桨、多个组合螺旋桨。表3总结了各推进方式的优缺点。

表3 基于电机和螺旋桨的推进模式

1）单一多模态螺旋桨。

单一多模态螺旋桨只有1个电机和1个螺旋桨，它与减速器的多模态运动相配合，实现在水中和空气中的运动。例如，在图8（a）中，Tan等开发了一种新型减速器，可以帮助螺旋桨在2种介质之间灵活切换，实现样机的高效运动。这种推进很容易实现，可以制作出轻量级的样机，但不能让样机实现水与空气之间的过渡。

图8 螺旋桨推进系统

2）2个组合螺旋桨。

这种结构的样机头部有1个螺旋桨，尾部有1个螺旋桨。一个用于空气驱动飞行，另一个用于水下驱动飞行，两者的结合可以实现水和空气之间的过渡。Stewart等开发的“Uria aalge”样机，如图8（b）所示。这样的螺旋桨布局可以让样机完整地完成水下单介质运动以及水空跨介质运动。然而，该样机在进出水过程中的运动速度相对较慢。

多组合螺旋桨通常使用4个或6个或更多的螺旋桨进行推进。经过样机的3次迭代，Lu等开发了Nezha III，如图8（c）所示，利用6个螺旋桨联合实现单介质和跨介质运动，样机姿态可控性高。然而，这种方案的跨介质过程也比较慢，并且会产生很多额外的噪声。

混动推进系统

该系统结合了基于压缩二氧化碳的喷水推进和电机螺旋桨推进，拥有跨介质过程中喷水推进的快速性和单介质运动中螺旋桨推进的高效率。混合推进系统具有完成水下-空中单次全过程运动的能力，包括在单一介质中运动和跨介质运动，如图8（d）、图8（e）所示。然而，这2种推进系统不可避免地增加了样机的复杂性和整体重量，研究人员需要在样机的尺寸重量与运动性能间做出折衷。

能源与推进系统总结

通过对样机实例的分析，总结了3种推进方式的工作原理和优缺点。其中，认为喷水推进是最有可能满足上一节所述的性能要求并且使AquaUAV实际表现良好的推进方式。因此，在现有应用实例的基础上，提出了其他3种用于喷水推进的潜在能源，即丁烷气、H2O2和煤油、叠氮化钠。

分析方法

为了使AquaUAV的设计更加合理，常常需要使用一些计算机模拟方法、实验方法及其组合。在设计阶段，CFD被用于生物体飞行、游泳和过渡运动的机理分析，以及仿生样机的设计优化分析。此外，还需要建造风洞、水洞等测试环境，以进行空气动力、水动力性能测试。同时采用运动捕捉、数字粒子图像测速（DPIV）等观察技术验证样机的实际运动性能，进一步对AquaUAV运动性能进行分析和优化。选择了一些典型的仿真和实验案例（图9）。