撲翼機(jī)構(gòu)的發(fā)展及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

1、撲翼機(jī)構(gòu)的發(fā)展及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析1120510529 殷琪從古至今，人們從沒有放棄過對(duì)翱翔夢(mèng)的追求。不僅在許多的古 書名著中都有長(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。昆蟲和鳥類的超強(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1.1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 中記載，魯班制造的木鳥可以飛行三天；古代中國(guó)甚至有人將大鳥的 羽毛貼在身上試圖飛起來，但最

2、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

3、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)外科學(xué)領(lǐng)域研 究的熱點(diǎn)。1997年，DAPRA投入3500萬美元，開始了為期四年的 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)、Vanderbilt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5mm10mm，采用太陽能電池和壓電驅(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型電機(jī) 驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)撲翼15Hz20Hz左

4、右的頻率上下拍動(dòng)，翼展超過15cm。2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自身機(jī)翼 扇動(dòng)產(chǎn)生的上下大氣壓差來飛行。它具有尺寸小、噪音弱、靈活性強(qiáng)、 隱蔽性好的特點(diǎn)。通過分析昆蟲各個(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，仿照昆蟲結(jié)構(gòu)，同時(shí)輔以MEMS設(shè)備 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)3.1空氣動(dòng)力學(xué)問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和昆蟲類撲 翅運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，但是昆蟲

5、和鳥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。3.2微型飛行器動(dòng)力問題撲翼式微型飛行器要求外形小、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題，還需要 大量研究以解決這個(gè)關(guān)鍵問題。3.3飛行器的材料及翼型問題設(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

6、題。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 選擇合適性能的材料。3.4飛行控制和通信問題撲翼式飛行器無法做到像昆蟲及鳥類控制各種飛行活動(dòng)，因此 我們需要從昆蟲及鳥類的結(jié)構(gòu)中提取核心要點(diǎn)。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 飛行過程中往往要飛離操縱

7、者，這就意味著飛行器必須具備靈敏的通 信系統(tǒng)，來傳遞和控制飛行器。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4.1提高續(xù)航時(shí)間撲翼式飛行器體積小，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)間是未來的 發(fā)展方向之一。4.2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。4.3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 不能通過氣壓氣流的改變完成自我控制從而獨(dú)立飛行。隨著技術(shù)和研 究的深入，未來的撲翼式飛行器將實(shí)現(xiàn)自我控制，并獨(dú)立完成各種飛 行狀態(tài)的改變。結(jié)語隨著人們認(rèn)