趙英杰
(衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,浙江 衢州 324000)
在自然環(huán)境中有許多種類的鳥和昆蟲,它們飛行的方式是使用翅膀來(lái)進(jìn)行飛行,這種飛行方式能適應(yīng)復(fù)雜的低空環(huán)境。這一特殊性是固定翼飛行器所無(wú)法達(dá)到的,尤其是其所具備的靈活性和能量應(yīng)用高效性[1]。
從20世紀(jì)80年代開始,隨著實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算流體力學(xué)的進(jìn)步,科研人員開始從流體的非定常流動(dòng)方向研究仿生撲翼空氣動(dòng)力學(xué)并且取得長(zhǎng)足的進(jìn)步[2-3]。本文首先介紹國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及制作樣機(jī)的方法與結(jié)構(gòu)分類,討論說(shuō)明了撲翼機(jī)構(gòu)的分類,最后介紹仿生撲翼飛行器在當(dāng)前面臨的問(wèn)題以及發(fā)展方向,并進(jìn)行總結(jié)與展望。
鳥類廣泛分布,由于體型不同,飛行環(huán)境的飛行模式和氣流條件也不同。為方便區(qū)別,飛行模式可以根據(jù)其撲動(dòng)頻率和撲動(dòng)高度進(jìn)行劃分[4-5]。
1.1.1 低頻顫振,主要是滑翔飛行
因?yàn)轱w行需要足夠的力量,較大的鳥類擁有更寬的翅膀,這使其擁有較大的翼展面積用來(lái)提供升力。當(dāng)改變運(yùn)動(dòng)姿態(tài)時(shí),只需要短暫的低頻振動(dòng)即可獲得巨大的加速度。飛行過(guò)程中主要保持滑翔狀態(tài),節(jié)約能量。這也是目前廣泛應(yīng)用的固定翼飛行器借鑒的方向。
1.1.2 中頻撲翼運(yùn)動(dòng),機(jī)動(dòng)性強(qiáng),速度快
自然界大多數(shù)中小型鳥類都使用這種飛行方式。由于體積小,單靠滑動(dòng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)升力,也無(wú)法完全擺脫空氣的黏性。所以實(shí)現(xiàn)升力的主要方法是拍打翅膀。
同時(shí),中頻撲翼飛行模式和小尺寸翅膀也提供了很高的飛行機(jī)動(dòng)性。有些鳥用“跳躍”來(lái)飛行,即襟翼循環(huán)完成后,機(jī)翼彎曲,利用慣性飛行,提高了飛行效率和飛行速度。由于它們的翼展很小,因此不能長(zhǎng)距離飛行。
1.1.3 高頻顫振、翼型小、無(wú)法滑翔、飛行位置多樣
自然界中只有少數(shù)小鳥使用高頻拍打,其中最具代表性的就是蜂鳥。蜂鳥能夠進(jìn)行復(fù)雜的飛行動(dòng)作,例如通過(guò)翅膀的高頻拍動(dòng)和靈活變化在空中翻轉(zhuǎn)和懸停,這是其他大型鳥類無(wú)法做到的。
研究撲翼飛行器至今,隨著電機(jī)、流體力學(xué)和自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步,撲翼飛行器在機(jī)體輕量化、運(yùn)動(dòng)效率、柔性翼強(qiáng)度等方面取得了很大的進(jìn)展,但始終無(wú)法投入實(shí)際使用[6-7]。撲翼飛行器面臨的問(wèn)題可歸納為以下兩點(diǎn):一是整機(jī)設(shè)計(jì)仿生化程度低,不能很好地模擬撲翼復(fù)雜飛行;二是飛行器能量轉(zhuǎn)換效率低[8]。
目前,撲翼飛行器主要是采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕量化的單自由度機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),并且配合柔性機(jī)翼材料來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行。但是這種方法的缺點(diǎn)是無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的氣流變化[9-10]。
從國(guó)內(nèi)外小型撲翼飛機(jī)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)看,大部分撲翼飛機(jī)忽略了肩部的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,采用兩側(cè)固定的單自由度或多自由度撲翼機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的撲翼運(yùn)動(dòng),從而驅(qū)動(dòng)撲翼飛行器飛行[11-12]。
綜上所述,首先,應(yīng)當(dāng)根據(jù)撲翼飛行器的設(shè)計(jì)尺寸和任務(wù)需求來(lái)選擇撲翼的運(yùn)動(dòng)頻率。第二,應(yīng)當(dāng)在撲翼飛行器機(jī)身輕度達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上盡可能的減少重量。第三,應(yīng)當(dāng)使用多自由度的機(jī)構(gòu)或者柔性翼來(lái)應(yīng)對(duì)飛行過(guò)程中的非定常流動(dòng)的空氣,從而高效率的為撲翼飛行器提供升力。
自20世紀(jì)50年代以來(lái),撲翼飛行器相關(guān)的研究已經(jīng)吸引了大量科研人員的興趣,當(dāng)前仿生撲翼機(jī)器鳥的研究主要集中在機(jī)械結(jié)構(gòu)及仿生原理上[13-14],一部分研究者對(duì)鳥類的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入探討并且通過(guò)制作樣機(jī)與實(shí)驗(yàn)研究了鳥類在空中飛行時(shí)的運(yùn)動(dòng)模式并獲得相關(guān)數(shù)據(jù)。
2021年,東京都立大學(xué)的Muhammad Labiyb Afakh等[15]研究者開發(fā)的仿生撲翼機(jī)器人(圖1)可以使用簡(jiǎn)單的拍動(dòng)機(jī)構(gòu)和輕量化設(shè)計(jì),通過(guò)超過(guò)自身重量來(lái)產(chǎn)生推力。起飛實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,撲翼機(jī)器人能夠在沒(méi)有輔助的情況下從地面自行起飛。
圖1 東京都立大學(xué)研發(fā)的仿生撲翼飛行器
2020年,美國(guó)西雅圖華盛頓大學(xué)的研究人員制作了依賴于壓電驅(qū)動(dòng)的撲翼飛行機(jī)器人[16](圖2)。在樣機(jī)實(shí)驗(yàn)中,運(yùn)用視覺(jué)傳感器來(lái)修正撲翼飛行器的運(yùn)動(dòng)偏差,使得飛行器可以自主飛行。
圖2 美國(guó)西雅圖華盛頓大學(xué)研發(fā)的仿生撲翼飛行器
2021年,華盛頓大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種質(zhì)量輕、質(zhì)心低、方便制作、零件少的撲翼機(jī)器人[17](圖3),即使在非定常條件的空中飛行,機(jī)器人也能夠在沒(méi)有支架的情況下穩(wěn)定著陸,并允許機(jī)器人在水面和陸地運(yùn)動(dòng)。調(diào)整相對(duì)機(jī)翼行程幅度可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向,還具有著陸時(shí)在地面上移動(dòng)的能力使機(jī)器人得以通過(guò)相當(dāng)狹窄的空間和障礙物,而且具備懸停飛行和受控著陸的能力。
圖3 美國(guó)西雅圖華盛頓大學(xué)研發(fā)的仿生撲翼飛行器
2020年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)徐藝星[18]設(shè)計(jì)并制造了仿生蝙蝠撲翼飛行器樣機(jī)(圖4)。撲翼機(jī)構(gòu)以空間曲柄搖桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ),采取二級(jí)齒輪減速傳動(dòng),制作樣機(jī)并進(jìn)行懸吊飛行實(shí)驗(yàn)。
圖4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)的仿生撲翼飛行器
2020年,南京航空航天大學(xué)的顧光健[19]參考自然界中的鳥類設(shè)計(jì)了仿生撲翼飛行器并制作了樣機(jī)(圖5),還對(duì)整機(jī)進(jìn)行氣動(dòng)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,扇翼的平均角度只能影響撲翼合力矢量的方向,而扇翼的頻率只能影響撲翼合力矢量的大小。
圖5 南京航空航天大學(xué)研發(fā)的仿生撲翼飛行器
2021年,吉林大學(xué)的陳默[20]基于仿生原理對(duì)自然界中的蒼蠅進(jìn)行模擬,設(shè)計(jì)了仿生撲翼飛行器并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了空氣動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)研究分析(圖6)。制作了樣機(jī)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。
圖6 南京航空航天大學(xué)研發(fā)的仿生撲翼飛行器
盡管目前各國(guó)科研人員研發(fā)的仿生撲翼飛行器還在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和使用壽命上有所欠缺,在飛行控制和能量利用效率上還需發(fā)展,從而導(dǎo)致?lián)湟盹w行器未能大規(guī)模應(yīng)用。但是隨著空氣動(dòng)力學(xué)、材料學(xué)、自動(dòng)控制技術(shù)的進(jìn)步,未來(lái)的撲翼飛行器將會(huì)有更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間和使用壽命,并將在軍事和民用領(lǐng)域得到大規(guī)模的應(yīng)用,帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。