扑翼飞行器的发展与研究现状.docx

扑翼飞行器的发展与研究现状西北工业大学航空学院袁昌盛宋笔锋在扑翼飞行器发展的早期，由于人们对空气动力学原理的认识不足和在动力系统、结构材料及工艺能力方面的欠 缺，研究一直处于凭直觉想象和试验摸索阶段。近年来， 随着人们对鸟类和昆虫等生物飞行机理研究的深入，以及 分析、计算能力的增强，对扑翼飞行器的研究已上升到了 一个新的高度基本知识，其中有些在今天看来仍然是有价值的。达芬奇在1485年设计 了一架靠人力驱动的扑翼机，并在随 后几年里设计出一些机翼结构和扑动 机构来模仿鸟的翅膀，非常巧妙地实 现了翼面的扑动和折叠、扭转等动 作。虽然这架扑翼机是无法飞行的， 但它在驱动机构方面显示出很高的工 程技巧。达芬奇之后，仍然有很多人尝 试以扑翼的方式飞上天空，但基本上 都以失败甚至灾难而告终。到17世纪 后期，有一个叫马雷的法国医生，他 认为靠人类肌肉的力量是无法飞上天空的。同时，由于热气球的出现，人们渐渐对扑翼飞行失去兴趣。 最早有记载的能够飞行的扑翼飞行器是1874年法国人pnaud设计的 以橡筋为动力的扑翼机模型。它的特 征是：前缘有一刚性杆，扑翼表面由 弹性薄膜组成，薄膜包覆在前缘上， 只在翼根处有弦向限制，扑翼的形状 在扑动过程中可以不断变化。扑翼可 以承受很大的扭矩。这种扑翼构造可 以产生很大的推力，但难以产生很大 的升力。这种特征大大影响了后续的 扑翼飞行器设计思路，后期很多人制 作的玩具扑翼飞行器几乎都是以这种袁昌盛：西北工业大学航空学院讲师，博士。研 究方向为飞行器总体设计。目前主要从 事微型固定翼及微型扑翼飞行器的研究 工作，已发表相关论文8 篇，申请专利4 项，获授权 1 项人类的飞行梦想是从模仿鸟类的形态开始的，在各民族的神话和传说 中，都有生出翅膀可以飞行的神或人 的形象。人类很早就做过种种飞行的 尝试，早在中国的汉代时期、欧洲的 中世纪就有人模拟鸟类进行飞行活动 的记载。最早对飞行进行深入、系统研究 的是文艺复兴时期意大利的文化巨匠 达芬奇。他通过对鸟类飞行的长期 观察和仔细研究得出许多有关飞行的66 航空制造技术2006年第12 期机器翼龙新 观 察new observation形式为蓝本的，其中包括上个世纪60年代，美国的percival spencer制作 的一系列比较成功的由引擎驱动的扑 翼机自由飞模型。澳大利亚的lawrence hargrave 于 1888 年制作了一个用压缩空气发 动机驱动的扑翼飞行器模型，在1891 年一次飞行中的飞行距离达 95m。美国 aerovironment 公司的 paul b.maccready曾主持设计制作了一个翼展 5.5m 的“机器翼龙”。它带有计算机控制的增稳和飞行控制系 统，能逼真地模仿翼龙的外形和飞行 机理。但由于它太过追求逼真,而且 电池太重,无法实现真正的扑翼飞行。“飞行”。加拿大多伦多 大学的 delaurier 致力于载人扑翼机 的研制。他和合作 伙伴harris在1991 年制出一架自由飞 模型，成功试飞并 验证了全尺寸扑翼 机所需要的一些技 术。这架扑翼机在 设计上有两个特 点：一是机翼分成 内外段，当外段机翼下扑的时候，内段机翼上扑，这样 可以平衡气动力和发动机需用功率; 二是机翼后缘开裂，使其受力时可以有合适的扭转变形，改善气动特性。1999，全尺寸载人样机进行了地面滑 跑试验，试验中可以滑跑、加速、抬 头并短暂离开地面，但没能实现起飞 和爬升。在飞行中偏航转弯和调整俯仰姿态，重量约为 12.5g。2000 年 8 月，它的 最长留空时间提高到42s，而到2001 年底已经提高到6min17s。microbat 是世界上第一种手掌大小的电动扑翼 机。vanderbilt大学的cim(center forintelligentmechatronics)正在发展一种利用压电原理驱动机翼的微型扑翼机器昆虫。目前这种人工昆虫的 翼展为 15cm，重量为 5g。机翼驱动 系统由陶瓷压电材料制成并由重量约 为 15g 的锂电池供电。美国斯坦福研究中心(sri)和加 拿大多伦多大学共同研制的微型扑翼飞行器“mentor” 有两对扑翼，以电 致伸缩聚合体人造肌肉 e p a m（electrostrictive polymer actuatedmuscle）为动力。机身下方有4个控 制面，控制飞行器的姿态。“mentor” 可以实现空中悬停。美国佐治亚理工学院研制了一种 名为“entomopter”的仿昆虫微型飞行器。这种微型飞行器有着与蝴蝶翅 膀相似的机翼，机翼用特殊的结构和 材料制成， 用往复式化学肌肉 (reciprocating chemical muscle,rcm)来驱动。rcm 实际上是一种不 通过燃烧反应就可将化学能转化为动 能的机构，它具有较高的能量转换效 率。这种微型飞行器装备有两对前后载人扑翼飞行器1929 年，德国的航空先驱 alexander m. lippisch研制出一架 人力驱动的扑翼机。这架扑翼机是被 牵引到空中的，靠人力扑动机翼，飞 行了250300m。有人认为这次试验 应该是“滑翔”而非“飞行”，也有人 认为应该定义为“扩展滑翔”或“靠 辅助手段起飞后的短距离飞行”。1959 年，英国的emil hartman 制作了一架人力驱动的扑翼机，用汽 车牵引升空后，可以靠人力扑动双翼 滑翔。这架扑翼机在外形和结构上参 考了很多鸟类的特征，但它并不是刻 板的复制。1987 年，俄罗斯的 vladimirtoporov在莫斯科的一次航展中展示 了他研制的人力扑翼机样机，它有两 对扑翼，外形像一只特大的蜻蜓。当 时只能沿着跑道滑跑、加速、抬机头， 还不能够起飞。1990年，vladimir驾 驶他自己设计的扑翼机完成了一次比 较成功的飞行，起飞时靠一个绞盘装 置牵引加速，同时驾驶员驱动扑翼开 始扑动，经过短暂的滑跑后扑翼机飞 上天空。大约飞行了 300m，最后直 到驾驶员耗尽体力才降落。 与 lippisch的扑翼机类似，也有人争论 这次试验是否能被称为严格意义上的微型扑翼飞行器的研制现状近年来，随着 mems 技术的迅速 发展，微型飞行器成为一个新兴研究 方向。微型扑翼飞行器由于更容易克 服低雷诺数下气动效率和飞行控制问 题，并具有更广阔的发展前景，因而 受到更多的关注。加利福尼亚工学院等几家单位共 同研制的扑翼式微型飞行器 “microbat”是目前比较成功的机型。它采用电池驱动，翼展约为15cm，最 大尺寸为 23cm,重量为 12g，控制方 式为无线电遥控。它的扑翼频率约为20次/s。首架原型机在1998年10 月作了持续 9s 的试验飞行，由一个重2g、容量为 1f 的超级电容作驱动电 源，飞行持续时间受到电容容量的限 制。这架扑翼机重量为7.5g。第二架 原型机改用 3g 重的可充式 ni-cad 电池作动力源，最长持续飞行时间提 高到22s，重量为10.5g。第三架原型 机在增加了无线电控制设备后，能够2006年第12 期航空制造技术 67“entomopter“微型飞行器微型机械昆虫新 观 察new observation锯齿状后缘、weis-fogh扑动机制等。对这些高升 力机制的研究将是扑翼飞 行器研制的关键。（2）高效动力、能源 系统。扑翼运动过程中所承 受的气动力和惯性力都是 随时间变化的，通常需要按照外载荷峰值来设计动 力系统输出功率，这势必 造成动力系统功率冗余和 体积重量过大。较好的解决方案是在扑翼飞行器布局设计和动力系统设计 时，加入载荷平衡和能量储存机制。较成熟的驱动机构形式仍然是曲 柄连杆机构，这种形式效率较低，并且难于控制。目前有研究者从事电致 伸缩或用化学反应控制伸缩的机制，点在于轻质高强度材料与工艺、结构 / 机构优化设计方法、结构 /机构 力学和动力学特性研究等。（4）柔性翼技术。 研究表明，柔性翼结构对于飞行器的抗风能力和改善气动效率有很大 贡献。柔性翼技术包括被动式柔性翼 和主动式柔性翼，前者的机翼可以自 动适应空气流动的变化，减小扰动的 影响;后者则可以主动改变翼型或 / 和机翼形状，在不同的飞行状态下获 得最优气动效率。串列的扑翼，不但可以飞行，也可以在地面上爬行。该微型飞行器的研究 者期望它能在未来的火星探测中发挥 作用。美国加州大学伯克利分校机器人 和智能机械实验室的“微型机械昆虫”（micromechanical flying insect，mfi）研究项目也比较 有代表性，它的目的是通过模 仿生物原理研制一种 1 0 25mm 大小，能自主飞行的微机 械飞行昆虫。目前，研究人员已 对其空气动力学特性作了详细 分析，设计研制了一种胸腔结构，同时选择压电执行器作为 机翼驱动源，取得了初步成功。除了以上一些具体的项目 外，还有人研究相关的基础理论和专用技术,主要集中在飞行 机理、计算方法和扑翼机构设 计实现等方面。结束语自然界的鸟类和昆虫拥有高效的 飞行和控制能力，仿生学的研究为扑 翼飞行器的研制提供了新的思路和途 径，但仿生不是对生物运动的简单复 制，而是在深入研究其机理的基础上 进行的创新。由此可以看出，今后在 飞行器设计方面的重点研究方向应该 是:扑动翼非定常气动原理研究;高升 力机制研究;扑动翼地面模型试验;扑 动翼力学建模与数值模拟;扑动规律 对气动特性的影响研究等方面。参考文献1 delaurier j d. the development andtestingofafull-scalepilotedornithopter. canadian aeronautics and space journal,1999,45(2):72822 delaurier j d. an ornithopter wing design. canadian aeronautics and space journal,1994,40(1):10483 michael j c. reinstating inquiry into mechanized flapping-wing flight. aiaa-97-0533, 19974 lippisch a m. man powered flight in 1929. journal of the royal aeronauti- cal society,1960,64(7):3953985 scott p. a bugs liftthe de- fense department is looking for a few good mechanical insects. scientific american,1999, 280(4):51526 shimoyama i. miura h. insect- like microrobots with external skeletons. ieee control systems magazine，1993,13(1):3741(责编 根山)扑翼飞行器的难点和关键技术（1