鯤鵬多模式平動撲翼滑翔機

1、 “創(chuàng)新杯”第六屆全國未來飛行器設(shè)計大賽“鯤鵬展翅”多模式平動撲翼滑翔機業(yè) 余 組2014年彩色設(shè)計圖飛行器的外形效果圖體內(nèi)布局圖簡要三視圖目 錄一、方案設(shè)計思想11任務(wù)描述12戰(zhàn)場環(huán)境設(shè)想13技術(shù)要求及應(yīng)用前景1二、總體設(shè)計11外形設(shè)計12部件安裝23動力裝置:24起降方式:25操縱系統(tǒng):2三、主要設(shè)計參數(shù)2四、主要性能參數(shù)3五、科學(xué)、合理、可實現(xiàn)性3一、 方案設(shè)計思想 “鯤鵬”多模式平動撲翼滑翔機采用了創(chuàng)新設(shè)計的獨特的平動撲翼機構(gòu)。未來的多模式平動撲翼滑翔機的尺度（十米左右）、飛行重量、航程達到小型固定翼飛機的技術(shù)水平，可實現(xiàn)平動撲翼長途飛行，從而成為一種實用的飛行平臺。平動撲翼模仿鳥類的

2、翅膀的微元截面的運動模式，使整體機翼上下平行地撲動的同時改變迎角，與現(xiàn)實的搖擺式撲翼機一樣可以撲翼飛行。平動撲翼飛行能量利用效率非常高，深入研究平動撲翼飛行使未來的撲翼飛行器的尺寸、重量、續(xù)航時間和航程及整機安全性得到極大的提升。1 任務(wù)描述太陽能電池供電的平動撲翼滑翔機可在海面長期漂浮和起飛降落，用于對海面船只抵近偵察和警告。2 戰(zhàn)場環(huán)境設(shè)想未來航空作戰(zhàn)的前期，中國和日本會在爭議海域進行一場先進太陽能無人機對抗，有美國的高端技術(shù)撐腰，日本氣焰囂張，沖突頻繁。雙方都在無人機節(jié)能和可靠性方面作了很多研究，日本經(jīng)常派出“百人隊長”太陽能無人機不分晝夜地在中國艦隊上空盤旋并進行電子干擾。但是日本的太

3、陽能無人機翼展太長，低空飛行風(fēng)險很大，中國海監(jiān)船已經(jīng)打撈到幾架“百人隊長”殘骸送還日本，日本反誣中國擊落了其太陽能無人機，威脅要擊落中國的“鯤鵬”多模式平動撲翼滑翔機。中國警告日本，用有人機擊落非武裝無人機視為戰(zhàn)爭挑釁行為。3 技術(shù)要求及應(yīng)用前景1) 該太陽能無人機的翼展在十米左右，不需人員監(jiān)護起降并可抵抗海風(fēng)海浪。2) 該太陽能無人機可以漂浮在海面上沐浴陽光，嗮4小時后可飛行2小時， 3) 該太陽能無人機的機動性優(yōu)良，感知靠近的海岸、快艇、無人直升機以及蛙人，起降自如，不易被捕獲。4) 該太陽能無人機具有廣泛的海洋資源保護功能。可將海洋生物制劑以最經(jīng)濟環(huán)保的方式投放到遠海，培育遠海中的人工漁

4、場，定期的太陽能無人機到訪使遠海漁場的工作充滿樂趣和安全保障。5) 該太陽能無人機使用費用低廉，多架無人機聯(lián)網(wǎng)分部在海面上，信息共享并受大陸或艦上的指揮中心控制?！蚌H鵬”多模式平動撲翼滑翔機群構(gòu)成軍民兩用的低空海上資源保護網(wǎng)。二、 總體設(shè)計1 外形設(shè)計中國古代神話中“鯤鵬”似魚有四鰭，似鳥有雙翅，不發(fā)聲也不進食。李白暢想了 “鯤鵬”夸張的形態(tài)和性能，“鯤鵬一日同風(fēng)起，扶搖直上九萬里”?！蚌H鵬”多模式平動撲翼滑翔機的機身仿照鯊魚細長的流線形身體。整體撲動的上單翼仿照信天翁優(yōu)美舒展的翅膀。四軸風(fēng)扇代表“鯤”的四鰭?？萍茧y于刻意仿生，必須考慮科學(xué)、合理，可實現(xiàn)性。滑翔機、水上飛機、太陽能飛機、撲翼機

5、、四軸飛行器都是現(xiàn)代科技的產(chǎn)物，要將這五者糅合設(shè)計為一體才是“鯤鵬”多模式平動撲翼滑翔機設(shè)計的目的。U形尾、X形布局的電動四軸風(fēng)扇用于短距起飛和輔助姿態(tài)控制。總而言之“鯤鵬”多模式平動撲翼滑翔機的氣動外形符合滑翔機的空氣動力學(xué)原理。加上電動四軸使其升阻比稍微下降，但最佳升阻比仍然大于35，滿足了平動撲翼滑翔機起飛的加速和增升要求。風(fēng)扇可在飛行中低速旋轉(zhuǎn)，輔助撲翼機姿態(tài)控制。太陽能平動撲翼滑翔機的整體封閉性良好，沒有開放的氣體流道，大量采用柔韌性優(yōu)良的工程塑料和碳纖維復(fù)合材料，可以長期耐受海水浸泡，夜晚可在海面停泊，就像一只海鳥。“鯤鵬”多模式平動撲翼滑翔機的特性符合海洋環(huán)境和高技術(shù)角逐的戰(zhàn)場需

6、求。2 部件安裝“鯤鵬”多模式平動撲翼滑翔機的總體布局按無動力的滑翔機設(shè)計，整體機翼鉸鏈在機身中部的行星曲柄傳動撲翼機構(gòu)的連桿上。機翼通過連桿拉力把機身提到空中。U形尾翼雙垂尾即避開了撲翼機身的亂流又為海面漂浮提供了橫向穩(wěn)定性。機頭裝有一對相反旋向的電動升力風(fēng)扇和其護欄，平尾裝也裝有一對相反旋向的電動升力風(fēng)扇，平尾開有直徑一米的通風(fēng)口與風(fēng)扇兼容。在海面起飛時，后部風(fēng)扇升力大，與海水浮力共同作用使機體前頃，平動撲翼滑翔機向前滑行。機翼氣動力增加的同時加速撲騰，前行速度達到25米/秒就騰空而起離開水面，電動四軸風(fēng)扇姿態(tài)輔助控制系統(tǒng)在低速滑行時起到了防止側(cè)翻打水的作用。機身裝有簡單的前輪起落架，前輪

7、低矮，部份沒入機身，后輪支架彈性變形大，地面起飛時，機身同樣會由水平轉(zhuǎn)為微微前頃而向前滑行。機頭裝有多光譜攝像頭和探測雷達。尾部內(nèi)裝有無線通信天線。飛控系統(tǒng)裝在機身中部下方。機翼前沿的行星曲柄平動機構(gòu)由無刷電機通過齒輪減速驅(qū)動；機翼后沿的行星曲柄平動機構(gòu)和其齒輪減速驅(qū)動裝置通過同步齒形皮帶駁接到前部電機上。用舵機改變皮帶張力邊的張緊裝置的角向就可調(diào)節(jié)機翼前沿和后沿簡諧運動的相位差。前后連桿外裝有獨立的橡膠波紋護套連接機翼和機身，使海水不能進入。 3 動力裝置: “鯤鵬”多模式平動撲翼滑翔機采用5個無刷直流電動機、鋰電池組、太陽能電池組。機身上裝有聚合物鋰電池組30kg，可以儲備15kwh電能，

8、足夠維持2h高速飛行的能量或低速飛行5h。機翼、尾翼、機身上的陽光面以柔性非晶硅太陽能電池做蒙皮，總面積超過14平米，發(fā)電功率12kw。由于太陽能電池的技術(shù)進步，發(fā)電效率可達到1020%，厚度可以做到比紙張還薄，功重比大于1kw/kg，未來的先進無人機都趨向于安裝太陽能電池蒙皮，利用免費的太陽能發(fā)電。根據(jù)飛行速度、飛機質(zhì)量、滑翔比計算，高速飛行阻力消耗的機械功低于4 kw，低速飛行阻力消耗的機械功低于2 kw?！蚌H鵬”多模式平動撲翼滑翔機技術(shù)特性是：平動撲翼飛行本身的能量利用效率高于螺旋槳的推進效率，沒有槳葉和發(fā)動機整流罩的迎風(fēng)阻力；可以在海面漂浮并攝取太陽能充電，不用擔(dān)心電量不夠而不能返回。

9、平動撲翼太陽能水上飛機的先進性、可行性、經(jīng)濟性由其技術(shù)特性決定，也許是低速空氣動力無人機的終極模式。 4 起降方式:滑行撲翼短距起降、電動四軸垂直撲翼輔助起降。由于裝有電動四軸風(fēng)扇姿態(tài)輔助控制系統(tǒng)，其自控盲降低起飛和速落水的姿態(tài)是水平的，起飛和降落可靠性很高，解決了固定翼飛機起飛和降落階段舵效低下而易失控的弊病。而螺旋槳式太陽能水上飛機肯定會因螺旋槳打水而不能起飛和降落；擺動式撲翼機的翼尖幅度太大、速度高，也會拍擊水面而損傷傳動機構(gòu)。5 操縱系統(tǒng): 固定翼姿態(tài)控制系統(tǒng)。在“鯤鵬”多模式平動撲翼滑翔機上裝有副翼和升降舵、方向舵，非失速狀態(tài)下舵效高，可以高滑翔比飛行。電動四軸風(fēng)扇姿態(tài)輔助控制系統(tǒng)。

10、在“鯤鵬”多模式平動撲翼滑翔機上裝有電動四軸風(fēng)扇和六自由度控制系統(tǒng)，在低速狀態(tài)下使機體恢復(fù)水平的能力很強，使翼尖離開水面再撲動。平動撲翼機構(gòu)的頻率和相位差可控，甚至可以捕捉最佳撲翼時機，結(jié)合未來的智能變形材料，可以發(fā)展出功能完善的單純平動撲翼飛控系統(tǒng)。三、 主要設(shè)計參數(shù)翼展 10米機長 10米機高 2米機翼面積 12.4平方米前沿后掠角 19°主輪距 1.6米前主輪距 2.5米撲翼前沿行程 400mm撲翼后沿行程 400mm前后沿相位差 45°90°迎角變化 -5°16°撲翼頻率 14Hz撲翼機構(gòu)（簡諧運動） 行星曲柄傳動撲翼機構(gòu)撲翼電機功率

11、510kw四軸風(fēng)扇單臺電機功率（非垂直起降） 3 kw鋰電池組：電壓 400V電能 15kwh重量 30kg太陽能電池：面積 14平方米功率 1kw重量 4kg起飛重量 200kg。有效載荷重量 30kg全機功率重量比 低于1 kw/20kg四、 主要性能參數(shù)續(xù)航時間 3h太陽能充電時間 45 h最大平飛速度 200km/h最小平飛速度 40 km/h實用升限 3000m最大航程 400km最大留空時間 4 h起降滑跑距離 50米五、 科學(xué)、合理、可實現(xiàn)性行星曲柄傳動撲翼機構(gòu)的核心是齒數(shù)比為2：1的固定內(nèi)齒圈、行星齒輪。曲柄由發(fā)動機（或電動機）減速驅(qū)動，作勻速旋轉(zhuǎn)，行星齒輪上的偏心塊作往復(fù)直線

12、簡諧振動。用連桿把偏心塊振動傳到機翼上。使用相位滯后45°90°的行星曲柄傳動機構(gòu)驅(qū)動機翼的后沿，機翼的攻角就變化起來。當(dāng)攻角大時，升力大，整機有超重感，驅(qū)動機翼往下?lián)洌l(fā)動機作功，機體重心勢能增加，至偏心塊轉(zhuǎn)到最上端；當(dāng)攻角小時，升力小，整機有失重感，驅(qū)動機翼往上抬，機體重心勢能減少，飛行速度增加，機翼升力作功把偏心塊拉到最下端，發(fā)動機飛輪加速，回收儲備能量供下一個撲翼周期。由于在機體坐標系上偏心塊往上走的力大，往下走的力小，力的方向不變，但位移方向相反，所以發(fā)動機（或電動機）在一個撲翼周期作出凈功，使撲翼機的勢能和動能增加。但是另一方面撲翼機作為一架滑翔機，它的勢能（高

13、度）在連續(xù)流失（按滑翔比3550）。發(fā)動機（或電動機）在一個撲翼周期作出凈功，彌補撲翼機的勢能損失，就可飛得更高。行星曲柄傳動撲翼機構(gòu)運動原理: 普通的曲柄連桿搖臂撲翼機構(gòu)不管有幾根連桿和搖臂，曲柄只有一個，而且該曲柄轉(zhuǎn)動軸心是固定的，這種連桿和搖臂運動的高頻分量很豐富，引起撲翼機的高頻振動和疲勞失效。分析表明，鳥類和昆蟲的肌肉收縮的高頻振動分量很小，翅膀撲動柔和、和諧。行星曲柄傳動撲翼機構(gòu)采用兩個偏心距相等的曲柄，第一曲柄轉(zhuǎn)動軸心是固定的，第二曲柄轉(zhuǎn)動軸心是在第一曲柄的偏心軸頸上。行星曲柄傳動撲翼機構(gòu)的搖臂通過連桿連在第二曲柄的偏心軸頸上（簡稱兩級曲柄傳動）。不論哪個曲柄單獨旋轉(zhuǎn)，都可拉動連

14、桿和搖臂，但只相當(dāng)于普通的曲柄連桿搖臂撲翼機構(gòu)。當(dāng)兩個曲柄按規(guī)律反向同步旋轉(zhuǎn)時，某個正交方向的位移互相抵消為零，另一個正交方向的位移互相疊加。第一曲柄由電動機或發(fā)動機減速驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。第二曲柄的轉(zhuǎn)動要通過行星齒輪傳動，因為它的轉(zhuǎn)動軸心在第一曲柄的偏心軸頸上。這套行星齒輪傳動和兩級曲柄傳動以及連桿和搖臂構(gòu)成行星曲柄傳動撲翼機構(gòu)。曲柄勻速旋轉(zhuǎn)時，第二曲柄的偏心軸頸作簡諧的往復(fù)直線運動，減少了撲翼機的高頻振動。鳥類的翅膀運動方式異常復(fù)雜，同時包含撲動、擺動、變形等，鳥類的感觀和大腦每時刻在感受和分析風(fēng)力、姿態(tài)、速度、高度。需要往高飛時，它們會在動能轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽艿陌雮€周期中用力改變姿態(tài)，輸出體力，獲得更多高

15、度，在另半個周期中勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，放松肌肉，恢?fù)姿態(tài)。機械難以完全模仿鳥類的翅膀撲動方式?，F(xiàn)有的撲翼機模仿了翅膀上下?lián)鋭樱ㄟ^把撲翼后沿系在機身上和撲翼的變形一起模仿了翅膀攻角的擺動，如同蝙蝠的皮膜連在身上，這是被動的擺動，而不是主動的控制機翼攻角，升力波動變化較小，這就制約了現(xiàn)有的撲翼機的載重能力。行星曲柄傳動撲翼機構(gòu)在完成簡諧的往復(fù)運動的基礎(chǔ)上進一步將機翼后沿主動控制。方法是將機翼后沿用連桿和簡諧的往復(fù)運動部件相連，使機翼后沿在動力驅(qū)動下同步運動。機翼前沿和后沿運動是有4590°相位差的，這就造成機翼前后傾斜角度的變化，即機翼攻角的變化。行星曲柄傳動撲翼機的機翼前沿和后沿運動是有

16、4590°相位差（）的，前沿和后沿位移差不為零。設(shè)機翼前沿擺動鉸和后沿球鉸的距離為L，前沿位移簡略表示為Asin（t），后沿位移簡略表示為Asin（t-）:前沿和后沿位移差X= Asin（t）- Asin（t-）=A*(sin（(t-/2）+/2）-sin（(t-/2）-/2）)=2A*sin(/2)* cos（t-/2），為可調(diào)常量，可見位移差幅度為4 Asin(/2)。攻角變化略為Atg（2A*sin(/2)* cos（t-/2）/L）。平動撲翼機布局簡圖：應(yīng)用行星曲柄傳動撲翼機構(gòu)的平動撲翼機布局相當(dāng)于一架大展弦比的滑翔機，機翼固定時擁有很好的滑翔性能和平穩(wěn)飛行性能，可以在45米每秒的上升氣流中翱翔。因為機翼平動的幅度受結(jié)構(gòu)限制，做功能力比較弱，良好的滑翔性能是必需的，例如滑翔比在35以上。平動撲翼機的左右機翼連在一起，幾乎沒有變形，就是整體的大展弦比機翼，它不能象鳥翅一樣旋轉(zhuǎn)撲動，它的主要運動方式是上下往返平動，如果沒有攻角變化的運動，剛性平動撲翼機的機翼上每一點的相對機身的瞬時速度是一致的。平動撲翼機的機翼同樣要有攻角變化，使上