仿生撲翼飛行器設計新進展

摘 要：仿生撲翼飛行器是一種新型飛行器，其體積小、重量輕、隱蔽性好等特點在軍事領域和民用領域受到廣泛關(guān)注。文章綜述了仿生撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)分類和升力產(chǎn)生機理，總結(jié)國內(nèi)外研究的理論成果，并介紹現(xiàn)階段研究所面臨的困難，闡述仿生撲翼飛行器的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：仿生撲翼飛行器；仿生學；結(jié)構(gòu)設計

1 概述

仿生撲翼飛行器是將推進、爬升和懸停集于一個撲翼系統(tǒng)的新型飛行器。近年來，國內(nèi)外專家著手于仿生撲翼飛行器飛行的姿態(tài)、空氣動力學和能量轉(zhuǎn)換等方面的研究，雖然取得了階段性的成果，仍面臨許多問題[1]。隨后將按照分類與布局、獲取升力原理、研究成果和面臨問題的順序?qū)湟盹w行器國內(nèi)外現(xiàn)狀進行總結(jié)。

2 撲翼的分類

國內(nèi)外設計的撲翼飛行器主要有單對和雙對兩種驅(qū)動形式。單對撲翼飛行器采用曲柄搖桿機構(gòu)或壓電材料驅(qū)動，可實現(xiàn)翅膀的怕打與扭轉(zhuǎn)。機翼設計成仿生骨架結(jié)構(gòu)，采用碳纖維材料制成，再在骨架上粘貼仿生翼膜，形成類似蝙蝠翅膀的仿生翼。這種仿生翼具有很高的強度和韌性有更高的橫向穩(wěn)定性。

雙對撲翼飛行器是采用化學肌肉材料設計的一種仿生飛行器?？山柚鶰EMS技術(shù)使飛行器尺寸微小化，其獨特的飛行方式能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動、長時間飛行和懸停，同時可以保持翅膀不動滑行一段距離，大大減少了能源的使用[2]。

3 撲翼產(chǎn)生升力的原理

3.1 Weis-Fogh機制

1973年，Weis-Fogh研究發(fā)現(xiàn)小黃蜂在起飛前兩翅前緣相互靠攏然后迅速打開，此時在兩翅中間形成低壓腔，將周圍空氣快速吸入，在翅膀周圍形成漩渦。該漩渦附著在翼尖附近不脫落，給昆蟲向上舉升的力，從而產(chǎn)生瞬時高升力。隨后他又將這一現(xiàn)象從理論和實驗角度進行分析，最終證明此現(xiàn)象為撲翼飛行產(chǎn)生升力的主要原因之一[3]。

3.2 延時失速效應

1997年，英國劍橋大學的Ellington在空氣流場中放入飛蛾的翅膀模型，模擬飛蛾的飛行姿態(tài)[4]。實驗發(fā)現(xiàn)撲翼下拍時在翅膀前緣產(chǎn)生一個強烈的前緣渦，使靠近前緣上表面形成低壓區(qū)，上下翅面產(chǎn)生壓強差，大大提高飛行所需升力。隨后Ellington又發(fā)現(xiàn)翅膀表面產(chǎn)生一展向流動，使前緣渦在形成后緊貼翅膀表面，隨著迎角的增大，保證前緣渦不發(fā)生脫落造成失速。經(jīng)試驗和理論證明后，將這一現(xiàn)象命名為“延時失速效應”。

3.3 尾跡捕獲機制Wake Capture

1999年，美國加州大學的Michael Dickinson等人在Ellington研究的基礎上將一對果蠅的翅膀模型放入到研究氣動力的油液中。試驗發(fā)現(xiàn)翅膀在一個撲動周期內(nèi)發(fā)生兩次扭轉(zhuǎn)，每次扭轉(zhuǎn)翅膀都會以相反的方向遇到前一個行程產(chǎn)生的氣流擾動，這使得翅膀與空氣的相對速度增加，增加了飛行時的額外動力，此現(xiàn)象后被命名為“尾跡捕獲“。

4 仿生撲翼飛行器的新進展

1998年，加州理工學院和加利福尼亞大學微機械研究實驗室聯(lián)合研制了微型蝙蝠“Micro Bat”，是一種最早由微型電機和精密機械機構(gòu)傳動的仿生物飛行的電動撲翼飛行器，該機身骨架和機翼采用新型超強復合材料，翼型仿照蝙蝠和昆蟲的翅膀制作，采用MEMS技術(shù)加工制成，可實現(xiàn)短時間的飛行和完成簡單的飛行動作。

2013年，F(xiàn)esto公司研制的仿生蜻蜓BionicOpter可以向各個方向飛行，為了控制共有的振翅頻率和各翅膀的扭轉(zhuǎn)，在四個翅膀的每一個上都采用了振幅控制器，翅膀的扭轉(zhuǎn)決定著推力方向。通過振幅控制器，推力的大小能夠得到調(diào)節(jié)。高度集成的輕量結(jié)構(gòu)設計實現(xiàn)獨特飛行特性，無論是感應器、執(zhí)行元件和傳動機構(gòu)等部件，還是控制和調(diào)節(jié)技術(shù)裝備，其安裝空間緊湊并相互配合。BionicOpter翼展有63cm、身長44cm、重量為175克。它的四只翅膀是由碳纖制造，身體由具彈性的聚酰胺和三元制成，里面載有一個ARM處理器、九個伺服電動機、電池和無線接收器等。每只翅膀都有一個獨立的振幅控制器，它們會協(xié)調(diào)地轉(zhuǎn)動和擺動使到 BionicOpter 能夠飛向任何方向，甚至是定點懸浮。

5 研究的關(guān)鍵性問題

撲翼驅(qū)動機構(gòu)是微型撲翼飛行器撲翼系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，其性能的好壞直接關(guān)系到翅翼的運動形式、氣動力的產(chǎn)生以及能量的利用效率，傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)簡單不能完全模仿昆蟲的飛行姿態(tài)靈活性較差，如何合理設計撲翼飛行器的新型驅(qū)動機構(gòu)是目前面臨的主要問題。

現(xiàn)階段的飛行器樣機大多采用聚合物鋰電池提供能量，這大大增加了飛行器的尺寸和重量，同時不能很好的為飛行器提供動力，隨著技術(shù)發(fā)展要求對能源的質(zhì)量及功率等方面進行深入研究。

撲翼飛行器的控制方式與傳統(tǒng)的固定翼控制不同，其飛行姿態(tài)依靠改變撲翼運動方式和尾翼的配合共同完成，關(guān)鍵包括輔助與自主飛行控制基礎理論和技術(shù)問題，飛行數(shù)據(jù)采集和控制元件的設計及方案實施，將各個控制器件、導航和信息接收集成化也是仿生撲翼飛行器設計的主要研究問題。

6 結(jié)束語

仿生撲翼飛行器的研究涉及空氣動力學、仿生學和結(jié)構(gòu)設計學科，近年來國內(nèi)外學者進行大量的理論分析和實驗研究，初步掌握了撲翼飛行器的理論知識，但要想真正實現(xiàn)模仿昆蟲的飛行姿態(tài)仍然需要進一步的努力，突破目前所面臨的難點。隨著微機電系統(tǒng)技術(shù)的成熟，未來的仿生撲翼飛行器將更加的小型化、集成化，一旦仿生撲翼飛行器應用到軍事和民用領域，它所帶來經(jīng)濟效益和社會作用將是不可估量的。

參考文獻

[1]劉嵐，方宗德.微型撲翼飛行器的升力風洞實驗[J].航空動力學報，2007，22（8）：320-321.

[2]劉嵐，方宗德，侯宇，等.仿生微撲翼飛行器的翅翼設計與優(yōu)化[J].機械科學與技術(shù)，2005，24（3）：330-331.

[3]曾銳，昂海松.仿鳥復合振動的撲翼氣動分析[J].南京航空航天大學學報，2003，35（1）：6-12.

[4]孫茂，吳江浩.微型飛行器的仿生流體力學[J].航空動力學報，2002，23（5）：385-386.

作者簡介：孫澤江（1991-），男，沈陽理工大學碩士研究生，主要從事仿生撲翼飛行器的機構(gòu)設計、氣動力分析等方面的研究。

郝永平（1960-），男，工學博士，沈陽理工大學教授，博士研究生導師，主要從事CAD/CAM集成一體化技術(shù)、網(wǎng)絡協(xié)同設計與制造技術(shù)、微電子機械系統(tǒng)（MEMS）等方面的研究。

李倫（1989-），男，沈陽理工大學碩士研究生，主要從事仿生復眼結(jié)構(gòu)設計、成像分析、復眼圖形處理等方面的研究。