撲翼機實踐研究

劉任如歌?曹著明

摘 要：撲翼機是一種能像鳥那樣煽動翅膀飛行的機器，也是基于仿生學(xué)原理進行設(shè)計模仿鳥類或昆蟲飛行的新概念飛行器。它不但囊括了固定翼和旋翼飛行器的優(yōu)點，而且還具有較好的隱蔽性和機動性。此外，撲翼飛行器具有特殊的空氣動力學(xué)特性。研制撲翼機對未來航空業(yè)的發(fā)展很有必要，本文講述了當(dāng)今撲翼機的發(fā)展，介紹了撲翼機的實踐研制過程，并對實踐研制的經(jīng)驗進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：撲翼機 驅(qū)動機構(gòu) 研究

一、撲翼機發(fā)展簡史

撲翼機是一種能像鳥那樣飛行的機器，也是基于仿生學(xué)原理進行設(shè)計模仿鳥類或昆蟲飛行的新概念飛行器。它不但囊括了固定翼和旋翼飛行器的優(yōu)點，而且還具有較好的隱蔽性和機動性。此外，撲翼飛行器具有特殊的空氣動力學(xué)特性。

對于撲翼飛行的設(shè)想由來已久。在西漢時期，就傳說有人用大鳥的羽毛制作了兩個特別大的翅膀，然后這人扇動著這兩個翅膀從高處飛下，雖然他只飛了大約幾百步遠就命喪黃泉，但卻是一種難能可貴的嘗試。在之后的數(shù)千年中，在英國、阿拉伯、土耳其也有人做過類似的試驗。不過，這幾個人并不都是那么幸運。據(jù)說，除了一個土耳其人飛行了好幾公里遠外，另外的人要么摔斷了腿，要么墜地而死，釀成了不少悲劇。直到15世紀(jì)，意大利的天才設(shè)計家達·芬奇設(shè)計了一種像鳥一樣撲翼的機械，此機械裝有翅膀，能用腳來進行撲動。這興許是現(xiàn)代撲翼機的前身。1930年，一位意大利人制作了一個撲翼機模型并且進行過了試飛，該機全重約22.7千克，裝有一臺推力為0.37千瓦的發(fā)動機，這可以說是世界上第一種有發(fā)動機的撲翼飛機。

在形形色色的撲翼機的設(shè)計方案中，有的形如蝙蝠，具有薄膜似的撲動翼面；有的裝有帶縫隙和活門的撲動翼，具有類似飛鳥翅膀的作用。不少科學(xué)家、工程師和業(yè)余愛好者都在致力于撲翼機的研究工作。隨著現(xiàn)代材料、動力、加工技術(shù)，特別是微機電技術(shù)（MEMS）的進步，國內(nèi)外已經(jīng)有許多院校、企業(yè)、科研機構(gòu)等部門能夠制造出接近實用的各類撲翼飛行器。這些飛行器從原理上可以分為仿鳥撲翼和仿昆蟲撲翼，它們主要以微小型無人撲翼機為主，也不乏有大型載人撲翼機。這些撲翼飛機中所采用的仿鳥撲翼的撲動頻率低，翼面積大，類似鳥類飛行，制造相對容易；另一些則是仿昆蟲撲翼，這種撲翼撲動頻率高，翼面積小，制造難度高，但可以實現(xiàn)懸停的優(yōu)點。

二、通用撲翼機

大多數(shù)院校和企業(yè)等研制的撲翼機結(jié)構(gòu)，它由減速齒輪組、撲翼機構(gòu)、舵機、電機、接收機、電池等所組成。其撲翼機構(gòu)采用的是最普遍的減速齒輪搖臂式撲翼驅(qū)動系統(tǒng)。一般而言，撲翼驅(qū)動機構(gòu)是由機架、輸入桿、左右翅膀桿和連接桿件組成的。機架為飛行器機身，輸入桿連接撲翼機構(gòu)動力源，連接桿件為除機架、輸入桿和左右翅桿之外的桿件，左右翅膀桿為使機翼產(chǎn)生上下?lián)鋭拥臈U件。輸入桿獲得動力后，帶動其他桿件，使左右翅膀桿產(chǎn)生撲動從而提供升力和推力。兩個舵機的作用是控制水平尾翼和垂直尾翼的活動，和一般的固定翼飛機一樣；電機為撲翼驅(qū)動機構(gòu)提供足夠的動力；在撲翼機結(jié)構(gòu)中的“水平放物架”可以用來放置電池、電子調(diào)速器、接收機等零部件以及各種載荷。

三、撲翼機實踐研制

現(xiàn)今，由于各類四旋翼航空模型和無人機在被廣泛使用，并且又有結(jié)構(gòu)簡單、操縱容易等特點。所以筆者提出一種不同于市面上和各大院校所研發(fā)的別出心裁的設(shè)計，也為了滿足消費者的求異心理，筆者設(shè)計了一架四撲翼遙控飛機——即想方設(shè)法把傳統(tǒng)的四軸機的螺旋槳拆掉，并且在原來的四個馬達上分別裝上四個撲翼驅(qū)動器。筆者決定制作一臺小型遙控撲翼機樣機并進行試飛，以證明與四軸飛行器原理大致相同的撲翼飛行器的可行性。

由于網(wǎng)上只出售一種用于充電電容手拋玩具飛機所使用的雙搖柄結(jié)構(gòu)撲翼減速齒輪組，所以筆者直接選購四個網(wǎng)上出售的雙搖臂式撲翼驅(qū)動減速齒輪組和塑料機翼薄膜組裝到一臺微型四旋翼遙控玩具的四個馬達上，即可實現(xiàn)四軸機和傳統(tǒng)仿生固定翼撲翼機的部分或全部功能。圖1是筆者所設(shè)計并制作的撲翼試驗樣機的草圖，它由電路板、電池、機臂、減震海綿和驅(qū)動機構(gòu)組成。其中電路板是從一架微型四軸機玩具上取下來的，包含了接收器、電子調(diào)速器；機臂，負責(zé)連接電路板與驅(qū)動機構(gòu)。為了抵消驅(qū)動機構(gòu)運動時所產(chǎn)生的震動，用減震海綿連接驅(qū)動機構(gòu)與機臂。驅(qū)動機構(gòu)為淘寶網(wǎng)上常見的雙搖臂減速齒輪組，它們在電動機的驅(qū)動下可以進行周期性上下?lián)u動，使它們的安裝插頭上安裝的作為機翼的塑料薄膜產(chǎn)生撲動，從而向下產(chǎn)生推力，當(dāng)推力大于全機所受的重力時，飛機即可起飛。

該機的原理是這樣的：向下扇動的撲翼機翼所產(chǎn)生的推力大于全機的重量，飛機即可升空，在飛機向某個方向飛行時，預(yù)計飛行方向的相對方向的兩個或三個撲翼會加快扇動速度，在預(yù)計前進方向上產(chǎn)生外力，使飛機朝著那個方向移動，正如傳統(tǒng)的四軸飛行器一樣。由于這臺樣機沒有螺旋槳，所以根本無法像傳統(tǒng)的四周機一樣加快對側(cè)兩個馬達的轉(zhuǎn)速來產(chǎn)生足夠的扭矩使飛機原地旋轉(zhuǎn)，況且增加新的部件又會增加全機重量。這架樣機的制作目地本來就是驗證新式結(jié)構(gòu)的飛行可行性，即要驗證飛機能否順利起飛，所以可以取消飛機的原地旋轉(zhuǎn)能力，因為這個功能與本次試驗的最初目的無關(guān)。

由于一個包括四個機翼和一個齒輪組的驅(qū)動單元相對于作為載體的微型四軸機實在是過于龐大，筆者測得微型四軸機兩個馬達的間距為50毫米，而整個撲翼驅(qū)動單元在全周期內(nèi)的伸縮范圍在260毫米到275毫米之間，如果按照原來的構(gòu)想來組裝，四個撲翼驅(qū)動單元之間一定會發(fā)生沖突，無法安裝，更無法正常運轉(zhuǎn)。所以筆者在微型四軸機四個馬達的位置安裝了四個機臂，另外把馬達與電路板連接的導(dǎo)線全部剪斷，再用焊接的方式連接被剪斷的部分，相當(dāng)于延長了原來的導(dǎo)線，使四個撲翼驅(qū)動單元之間彼此各有一定的距離，使它們無論是安裝還是運動都不發(fā)生沖突。通過運用三角函數(shù)公式的計算得知，大約要做出四個長度為130毫米的機臂才能使四個撲翼驅(qū)動單元所包括的16副機翼的活動不受彼此的影響。筆者使用了食堂的吸管作為機臂的材料；動力方面，推測四個馬達大概能帶動160克的質(zhì)量，整機大概100克，用原來四軸機上的馬達可能夠用，不做變動。在組裝完畢后，全機尺寸為280毫米×280毫米，使用四個小型空心杯電機作為動力，機架為原來微型四軸機所使用的電路板，驅(qū)動系統(tǒng)為從網(wǎng)上買到的雙搖臂減速齒輪組，一共四個，帶動十六個塑料薄膜機翼扇動產(chǎn)生升力。在組裝完成之后，筆者立即開始了試飛。試制撲翼機為四旋翼結(jié)構(gòu)，主要由驅(qū)動機構(gòu)、減震海綿、機臂、電路板和電池組成。endprint

四、小結(jié)

實際試飛的結(jié)果，不盡如人意，一共進行兩次升空試驗，其中第一次試驗時飛機共留空2秒，第二次共留空1秒，兩次都是從手掌上起飛（飛機重量很輕）后就迅速跌落，第二次甚至在空中發(fā)生解體散架，其中一個機臂從安裝孔中脫落。通過該次實踐，對撲翼機有如下經(jīng)驗總結(jié)：可能方向錯誤地安裝了機翼；由于撲翼機固有的缺點就是消耗能量較大，電動機所放出的動能部分因為機械結(jié)構(gòu)的相互摩擦而內(nèi)能消耗，再加上驅(qū)動系統(tǒng)的推力很小，所以可以很容易地驅(qū)動固定翼飛機升空，而難以讓非固定翼飛機升空。正因如此，其他院校和機構(gòu)所研制過的撲翼飛機大多都是固定翼飛機；該樣機的機架和機臂的質(zhì)量相對于減速齒輪雙搖臂式撲翼驅(qū)動系統(tǒng)所提供的升力來說，質(zhì)量實在過大，所以根本無法實現(xiàn)升空，更無法飛行。

即使這臺樣機還有許多的弊端，但是筆者相信在它還可能會飛起來，它的弊端及克服與解決方法有：針對機翼煽動時無法提供較大的升力的問題，增大每個機翼的面積，并且減少機翼的數(shù)量，使用密度更小、強度也有所保證的材料，并且保證機翼的結(jié)構(gòu)能讓機翼在每一個周期的煽動時能產(chǎn)生更大的推力；針對機架部分（指那架試飛失敗的樣機的塑料管機臂和電路板的結(jié)合體）相對電機和作為驅(qū)動機構(gòu)的雙搖臂減速齒輪組所能提供的向下的推力來說既笨重又不夠堅固，所以要用輕便且有一定強度的材料制作機架，讓它不至于在空中被撕裂散架，針對動力不足，可以采用推重比足夠大的無刷電機帶動撲翼的驅(qū)動機構(gòu)?？傊胙兄瞥晒?，不僅要消除上述的弊端，還要平衡好全機各部分重量和電機和驅(qū)動機構(gòu)所產(chǎn)生的推力，并進行深入研究各種理論基礎(chǔ)，勇于嘗試，就能研制成功撲翼機。

本文分別介紹了現(xiàn)今撲翼機的發(fā)展情況，個人的撲翼機實踐研制的過程、結(jié)果、實踐總結(jié)以及改進方案。對今后的撲翼機研發(fā)提供了部分參考。

參考文獻：

[1]肖天航，段文博，昂海松.仿鳥柔性撲翼氣動特性與能耗的數(shù)值研究[J].空氣動力學(xué)學(xué)報，2011（6）.

[2]蔡紅明，昂海松，鄭祥明.基于自適應(yīng)逆的微型飛行器飛行控制系統(tǒng)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報， 2011（2）.

[3]張亞鋒，宋筆鋒，馬紅萍等.仿生撲翼機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].機械設(shè)計與研究，2008（4）.

[5]張明偉，方宗德，周凱等.微撲翼飛行器的仿生結(jié)構(gòu)研究[J].機床與液壓，2007（6）.

（作者單位：北京電子科技職業(yè)學(xué)院）endprint