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(méi)有放棄過(guò)對(duì)翱翔夢(mèng)的追求。不僅在許多的古書(shū)名著中都有長(zhǎng)著翅膀的角色形象，人們也一直在用實(shí)際行動(dòng)嘗試著各種飛行的可能。昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類的超強(qiáng)飛行能力逐漸引起了人們的關(guān)注，早在中國(guó)的漢代時(shí)期、歐洲的中世紀(jì)就有人模擬鳥(niǎo)類進(jìn)行飛行活動(dòng)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(yīng)用前景，撲翼式飛行器已經(jīng)成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。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(duì)飛行的各種嘗試方法，《墨子?魯問(wèn)》中記載，魯班制造的木鳥(niǎo)可以飛行三天；古代中國(guó)甚至有人將大鳥(niǎo)的羽毛貼在身上試圖飛起來(lái)，但最終都失敗了。人們逐漸認(rèn)識(shí)到想要飛行必須加上合適的機(jī)械裝置。15世紀(jì)70年代，著名發(fā)明家萊昂納多?達(dá)芬奇設(shè)計(jì)出一種由飛行員自己提供動(dòng)力的飛行器，并稱之為“撲翼飛機(jī)”。“撲翼飛機(jī)”模仿鳥(niǎo)兒、蝙蝠和恐龍時(shí)代的翼龍，具有多個(gè)翅膀。達(dá)芬奇認(rèn)為撲翼機(jī)具備推力和

3、提升力。之后人們仿照它進(jìn)行了很多嘗試，有的可以上下蹦跳幾下，有的摔成碎片，結(jié)果都失敗了。1874年，法國(guó)生物學(xué)家馬雷用連續(xù)拍攝的方式初步掌握了鳥(niǎo)類復(fù)雜的飛行撲翼動(dòng)作，以當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，這種高難度的動(dòng)作是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，與此同時(shí)熱氣球的出現(xiàn)，就使早起人們對(duì)制造飛行器嘗試告一段落，研究開(kāi)始轉(zhuǎn)向了其他領(lǐng)域。1.2撲翼式飛行器國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀隨著仿生技術(shù)、空氣動(dòng)力學(xué)和微加工技術(shù)的日益發(fā)展，加之軍事和民用的廣泛應(yīng)用前景，撲翼式飛行器再次成為了國(guó)內(nèi)外科

4、學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。1997年，DAPRA投入3500萬(wàn)美元，開(kāi)始了為期四年的MAV的研究計(jì)劃。加州理工學(xué)院、多倫多大學(xué)、佐治亞技術(shù)研究所、佛羅里達(dá)大學(xué)、Verbilt大學(xué)等單位研制了不同結(jié)構(gòu)的撲翼MAV，翼展一般在15cm左右，多采用電池提供能源，飛行時(shí)間約在幾分鐘到十幾分鐘。加州大學(xué)伯克利分校研制的“機(jī)器蒼蠅”撲翼MAV總重約為43mg，直徑為5mm～10mm，采用太陽(yáng)能電池和壓電驅(qū)動(dòng)。西北工業(yè)大學(xué)研制的撲翼MAV采用聚合物鋰電池和微

5、型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)撲翼15Hz～20Hz左右的頻率上下拍動(dòng)，翼展超過(guò)15cm。2撲翼式飛行器的優(yōu)勢(shì)及可行性撲翼式飛行器的優(yōu)勢(shì)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(guò)自身機(jī)翼扇動(dòng)產(chǎn)生的上下大氣壓差來(lái)飛行。它具有尺寸小、噪音弱、靈活性強(qiáng)、隱蔽性好的特點(diǎn)。通過(guò)分析昆蟲(chóng)各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)，選用合理的驅(qū)動(dòng)裝置，并由電池或其他化學(xué)物質(zhì)提供能源，仿照昆蟲(chóng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)輔以MEMS設(shè)備

6、和裝配技術(shù)，便可以加工制造出撲翼式微型飛行器。3關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)3.13.1空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題微型飛行器不同于普通飛機(jī)，它的雷諾數(shù)大約在104左右，空氣的粘性阻力相對(duì)比較大，并且撲翼式飛行器是以模仿鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)類撲翅運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，但是昆蟲(chóng)和鳥(niǎo)類的翅膀是平面薄體結(jié)構(gòu)，而非機(jī)翼的流線型。我們應(yīng)充分研究這種非傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)和昆蟲(chóng)翅膀的運(yùn)動(dòng)方式，進(jìn)行提煉和簡(jiǎn)化，仿生出撲翼式飛行器。3.23.2微型飛行器動(dòng)力問(wèn)題微型飛行器動(dòng)力問(wèn)題撲翼式微型飛

7、行器要求外形小、質(zhì)量輕、驅(qū)動(dòng)元件效率高、能耗少。目前，微型飛行器可用的動(dòng)力源有：內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、燃料電池、太陽(yáng)能、電動(dòng)機(jī)以及微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)等。從能量轉(zhuǎn)換效率來(lái)看，微型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用前景非常廣泛。但是內(nèi)燃機(jī)的熱效率只有5%左右，而且內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)還存在噪音大和可靠性差等方面的問(wèn)題，還需要大量研究以解決這個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。3.33.3飛行器的材料及翼型問(wèn)題飛行器的材料及翼型問(wèn)題設(shè)計(jì)出具有非傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)特性的高效仿生翼，是撲翼式飛行器研究急需解決的問(wèn)題

8、。仿生翼必須輕而堅(jiān)固，保證在高頻的振動(dòng)下不會(huì)斷裂，能夠提供足夠的升力和推進(jìn)力，具有很強(qiáng)的靈活性等。這就要求從材料和翼型等方面進(jìn)行分析?，F(xiàn)如今已研究出在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使用壓電陶瓷和化學(xué)肌肉等智能材料。我們需綜合考慮撲翼式飛行器的結(jié)構(gòu)特性、運(yùn)動(dòng)和能源特性及機(jī)構(gòu)制作的工藝特性要求來(lái)選擇合適性能的材料。3.43.4飛行控制和通信問(wèn)題飛行控制和通信問(wèn)題撲翼式飛行器無(wú)法做到像昆蟲(chóng)及鳥(niǎo)類控制各種飛行活動(dòng)，因此我們需要從昆蟲(chóng)及鳥(niǎo)類的結(jié)構(gòu)中提取核心要點(diǎn)

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(yīng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)微流動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)微型飛行器的飛行控制。此外，撲翼式飛行器在飛行過(guò)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(lái)傳遞和控制飛行器。研制適合的GPS接收機(jī)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(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，通信系統(tǒng)將更加完善和進(jìn)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(shí)間提高續(xù)航時(shí)間撲翼式飛行器體積小

10、，所能儲(chǔ)存的能量較少，導(dǎo)致飛行時(shí)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(shí)間是未來(lái)的發(fā)展方向之一。4.24.2飛行器的進(jìn)一步微型化飛行器的進(jìn)一步微型化想要進(jìn)一步縮小撲翼式飛行器的尺寸，就要將飛行里的內(nèi)部構(gòu)件全部縮小。未來(lái)的撲翼式飛行器將達(dá)到在飛行中難以用肉眼辨別的程度，甚至難以被雷達(dá)辨別。這樣它將具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)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(fù)雜的高難度動(dòng)作，也不能通過(guò)氣壓氣