撲翼式飛行器的發(fā)展與展望

1、撲翼式飛行器的發(fā)展與展望撲翼式飛行器的發(fā)展與展望從古至今，人們從沒有放棄過對翱翔夢的追求。不僅在許多的古書名著中都有長著翅膀的角色形象，人們也一直在用實際行動嘗試著各種飛行的可能。昆蟲和鳥類的超強飛行能力逐漸引起了人們的關注，早在中國的漢代時期、歐洲的中世紀就有人模擬鳥類進行飛行活動的記載。隨著科技的快速發(fā)展，以及飛行器在軍事上和民用上的廣泛應用前景，撲翼式飛行器已經成為當今的研究熱點。1撲翼式飛行器的發(fā)展史撲翼式飛行器的發(fā)展史1.11

2、.1撲翼式飛行器的早期發(fā)展撲翼式飛行器的早期發(fā)展歷史上記載了許多人們對飛行的各種嘗試方法，《墨子?魯問》中記載，魯班制造的木鳥可以飛行三天；古代中國甚至有人將大鳥的羽毛貼在身上試圖飛起來，但最終都失敗了。人們逐漸認識到想要飛行必須加上合適的機械裝置。15世紀70年代，著名發(fā)明家萊昂納多?達芬奇設計出一種由飛行員自己提供動力的飛行器，并稱之為“撲翼飛機”?！皳湟盹w機”模仿鳥兒、蝙蝠和恐龍時代的翼龍，具有多個翅膀。達芬奇認為撲翼機具備推力和

3、提升力。之后人們仿照它進行了很多嘗試，有的可以上下蹦跳幾下，有的摔成碎片，結果都失敗了。1874年，法國生物學家馬雷用連續(xù)拍攝的方式初步掌握了鳥類復雜的飛行撲翼動作，以當時的技術水平，這種高難度的動作是無法實現(xiàn)的，與此同時熱氣球的出現(xiàn)，就使早起人們對制造飛行器嘗試告一段落，研究開始轉向了其他領域。1.2撲翼式飛行器國內外的研究現(xiàn)狀隨著仿生技術、空氣動力學和微加工技術的日益發(fā)展，加之軍事和民用的廣泛應用前景，撲翼式飛行器再次成為了國內外科

4、學領域研究的熱點。1997年，DAPRA投入3500萬美元，開始了為期四年的MAV的研究計劃。加州理工學院、多倫多大學、佐治亞技術研究所、佛羅里達大學、Verbilt大學等單位研制了不同結構的撲翼MAV，翼展一般在15cm左右，多采用電池提供能源，飛行時間約在幾分鐘到十幾分鐘。加州大學伯克利分校研制的“機器蒼蠅”撲翼MAV總重約為43mg，直徑為5mm～10mm，采用太陽能電池和壓電驅動。西北工業(yè)大學研制的撲翼MAV采用聚合物鋰電池和微

5、型電機驅動，可實現(xiàn)撲翼15Hz～20Hz左右的頻率上下拍動，翼展超過15cm。2撲翼式飛行器的優(yōu)勢及可行性撲翼式飛行器的優(yōu)勢及可行性按照飛行原理的不同劃分，MAV可分為固定翼、旋翼和撲翼三種。同其他形式的微型飛行器相比，撲翼式飛行器可以通過自身機翼扇動產生的上下大氣壓差來飛行。它具有尺寸小、噪音弱、靈活性強、隱蔽性好的特點。通過分析昆蟲各個部分的結構，選用合理的驅動裝置，并由電池或其他化學物質提供能源，仿照昆蟲結構，同時輔以MEMS設備

6、和裝配技術，便可以加工制造出撲翼式微型飛行器。3關鍵技術關鍵技術3.13.1空氣動力學問題空氣動力學問題微型飛行器不同于普通飛機，它的雷諾數大約在104左右，空氣的粘性阻力相對比較大，并且撲翼式飛行器是以模仿鳥和昆蟲類撲翅運動為基礎，但是昆蟲和鳥類的翅膀是平面薄體結構，而非機翼的流線型。我們應充分研究這種非傳統(tǒng)空氣動力學和昆蟲翅膀的運動方式，進行提煉和簡化，仿生出撲翼式飛行器。3.23.2微型飛行器動力問題微型飛行器動力問題撲翼式微型飛

7、行器要求外形小、質量輕、驅動元件效率高、能耗少。目前，微型飛行器可用的動力源有：內燃發(fā)動機、燃料電池、太陽能、電動機以及微型渦輪發(fā)動機等。從能量轉換效率來看，微型內燃發(fā)動機的應用前景非常廣泛。但是內燃機的熱效率只有5%左右，而且內燃發(fā)動機還存在噪音大和可靠性差等方面的問題，還需要大量研究以解決這個關鍵問題。3.33.3飛行器的材料及翼型問題飛行器的材料及翼型問題設計出具有非傳統(tǒng)空氣動力學特性的高效仿生翼，是撲翼式飛行器研究急需解決的問題

8、。仿生翼必須輕而堅固，保證在高頻的振動下不會斷裂，能夠提供足夠的升力和推進力，具有很強的靈活性等。這就要求從材料和翼型等方面進行分析?，F(xiàn)如今已研究出在驅動結構設計中，使用壓電陶瓷和化學肌肉等智能材料。我們需綜合考慮撲翼式飛行器的結構特性、運動和能源特性及機構制作的工藝特性要求來選擇合適性能的材料。3.43.4飛行控制和通信問題飛行控制和通信問題撲翼式飛行器無法做到像昆蟲及鳥類控制各種飛行活動，因此我們需要從昆蟲及鳥類的結構中提取核心要點

9、。目前比較有前景的控制方式是在微型飛行器的表面分布微氣囊和微型智能自適應機構，通過微流動控制實現(xiàn)對微型飛行器的飛行控制。此外，撲翼式飛行器在飛行過程中往往要飛離操縱者，這就意味著飛行器必須具備靈敏的通信系統(tǒng)，來傳遞和控制飛行器。研制適合的GPS接收機和地面匹配系統(tǒng)是目前較為前沿的通信方式。隨著電子和計算機技術的飛速發(fā)展，通信系統(tǒng)將更加完善和進步。4撲翼式飛行器的展望撲翼式飛行器的展望4.14.1提高續(xù)航時間提高續(xù)航時間撲翼式飛行器體積小

10、，所能儲存的能量較少，導致飛行時間較短。如何提高能源利用率，有效提高微型飛行器的飛行時間是未來的發(fā)展方向之一。4.24.2飛行器的進一步微型化飛行器的進一步微型化想要進一步縮小撲翼式飛行器的尺寸，就要將飛行里的內部構件全部縮小。未來的撲翼式飛行器將達到在飛行中難以用肉眼辨別的程度，甚至難以被雷達辨別。這樣它將具有更廣泛的應用價值。4.34.3靈活的自主飛行靈活的自主飛行以現(xiàn)在的研究水平，飛行器尚不可完成復雜的高難度動作，也不能通過氣壓氣