跨介质飞行器是一种可在水和空气两种介质间自由穿行的新概念两栖无人运动平台,具有重要的军事和民事应用前景。跨介质飞行器的研制需要解决空中巡航、入水、水下潜行以及出水四种运动模式下所涉及的关键技术,其中,跨介质飞行器入水过程经受的较大冲击载荷极易造成机体结构损坏、内部元器件失灵以及弹道失稳等一系列问题,研究跨介质飞行器应以何种流体动力构型及采取何种入水方式减小飞行器入水冲击载荷,对提高跨介质飞行器入水稳定性和安全性具有极其重要的现实意义。尽管跨介质飞行器概念提出近百年,但由于其设计制造难度大,目前尚未形成系统的设计理论,模仿具有跨介质功能的水鸟或昆虫,突破其关键技术是国际上普遍采用的技术途径。本文以翠鸟为仿生模本,采用CFD数值模拟和试验分析方法,研究翠鸟典型姿态下入水策略对其入水特性的影响规律,揭示翠鸟头颈入水缓冲机理,在此基础之上对跨介质飞行器流体动力构型进行组合仿生设计,并研究仿生跨介质飞行器入水性能。具体包含以下研究内容:（1）分析翠鸟入水捕食过程,确定了翠鸟入水典型姿态——翅翼后掠,头部、身体及尾巴保持在一条直线,并采用逆向工程技术获取了翠鸟典型入水姿态精确3D模型。为了分析翠鸟不同初始入水速度、入水角度对其入水冲击加速度、俯仰力矩、流场分布规律的影响,建立了基于VOF模型和动网格技术的CFD数值仿真方法,采用Reynold时均Navier-Stokes（RANS）方程对整个流场域求解,通过分析网格数量对轴向冲击力的影响确定了满足计算要求的网格密度。数值计算结果表明,压差阻力对翠鸟冲击加速度的产生起到决定性作用,轴向冲击加速度和俯仰力矩随初始入水速度和入水角度的增加而增加,翠鸟俯冲入水的峰值冲击加速度和峰值俯仰力矩与初始入水速度成二次方关系,与入水角度呈线性关系,减小翠鸟入水角度会降低其下潜深度。对峰值冲击加速度时刻的压力场和速度矢量场分析可知,增加初始入水速度会显著增加翠鸟周围流场扰动,增强翠鸟入水附加质量效应,导致较大冲击加速度的产生。在入水角度90°、初始入水速度8m/s时,翠鸟经受的轴向冲击加速度和峰值力矩最大,其值分别为18.4g和0.867N·m。（2）根据翠鸟俯冲自由入水测试需求,设计搭建了可实现翠鸟模型初始入水速度和初始入水角度精确可调的无束缚入水试验测试平台。其中,高速入水推进机构可实现模型入水速度调节,角度调节机构可实现入水角度调节,模型释放系统用来完成入水前精确释放,嵌入式惯性测量系统采集翠鸟运动学数据,高速动态影像捕捉系统获取视频影像资料。通过入水试验,研究了翠鸟模型入水冲击加速度、俯仰角以及水体响应随初始入水速度和入水角度的变化规律。测试结果表明,翠鸟模型轴向冲击加速度峰值与初始入水速度呈二次方关系,与初始入水角度呈线性关系,这与仿真结果相对应。径向冲击加速度极小值随入水角度的增加显著减小,甚至接近于0。在入水过程中,翠鸟模型均先抬头上扬后低头下潜,且低头下潜趋势在尾部空泡深闭合后加剧。将试验结果的轴向峰值冲击力与仿真结果对比,验证了CFD数值仿真方法的适用性,其与试验值最大相差11.5%。（3）基于翠鸟头部流线构型,采用构型仿生方法,设计制作了翠鸟头形细长体、卵形头旋成体以及构型仿生旋成体。通过垂直入水试验,定量研究了不同下落高度对轴向冲击加速度的影响规律及空泡的演化特性。试验研究表明,相比于卵形头旋成体,翠鸟头形细长体和构型仿生旋成体均可消除入水初期峰值冲击加速度,同时减小下潜过程阻力,但由于翠鸟头部非对称轮廓,翠鸟头形细长体在入水后会发生偏转。空泡闭合后的波纹效应是导致轴向冲击加速度振荡的原因,不同入水速度下的震动频率基本维持在200Hz上下。（4）受翠鸟入水过程颈部收缩行为启发,采用功能仿生方法,在旋成体头部和主体之间引入线性弹簧,设计制作了功能仿生旋成体,根据旋成体头部是否可压缩,区分出头部固定旋成体和头部可压缩旋成体两种形态。通过对比功能仿生旋成体两种形态的垂直入水试验,定量研究了初始入水速度对冲击加速度及空泡动态的影响,推导了入水初期峰值冲击加速度与弹簧线刚度和最大压缩量的关系式。试验结果表明,在旋成体头部和主体之间引入弹簧可以显著抑制旋成体主体入水初期峰值冲击加速度,在不考虑弹簧刚度的情况下,旋成体峰值冲击加速度仅与头部最大压缩量有关。此外,弹簧的引入提高了空泡形成及侧面深闭合现象发生所需的初始入水速度,但对空泡在旋成体侧面和尾部闭合的无量纲时间影响不大。头部可压缩旋成体在入水速度为3.96m/s时,可降低71%的峰值冲击加速度。（5）采用组合仿生设计思想,基于翠鸟原型入水机理研究,设计了翠鸟头部和龙虱身体结合的跨介质飞行器机身外形;结合机翼设计一般流程,确定了跨介质飞行器机翼面积为0.49m2,起飞重量为28.031kg,安装角及上反角为0,并通过边条翼连接机翼和机身,设计了后掠角30°、40°、50°以及60°四种仿生跨介质飞行器气动/水动构型。通过CFD数值模拟,研究了四种后掠角飞行器气动特性,综合分析飞行器升力系数、阻力系数、升阻比以及俯仰力矩系数,确定了后掠40°仿生跨介质飞行器为最终设计方案。（6）基于流动相似理论,设计制作了后掠40°仿生跨介质飞行器1/4缩比模型,并开展了俯冲入水性能试验研究。分析入水速度、入水角度及质心位置对其入水性能的影响规律,以飞行器下潜一个体长为节点,以快速、平稳和安全为指标,评价其入水性能。试验结果表明,初始速度越高,飞行器入水越快速,但容易失稳且越不安全;初始入水角度越大,飞行器入水越快速,在径向上越安全,但容易失稳;质心位置越靠前,飞行器入水越快速,且入水越不平稳,但对其入水安全性影响不显著。因此,飞行器应根据实际工况选择合适的初始入水速度、入水角度及质心位置控制其入水过程。