載人撲翼飛行器研制的可行性報告

1、載人撲翼飛行器研制的可行性報告摘要：北京二環(huán)到五環(huán)頻頻全線擁堵，上海高峰時段駕車出行舉步維艱，深圳 交通遭遇黑色周一，道路堵塞已成常態(tài)，十五個大城市每日因擁堵蒙受損失十幾 億元，擁堵已成為各大城市的流行病，2010年中秋前夜的一場秋雨，北京上海各 地出現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄大堵車，北京一地16 0條道路堵塞，濟(jì)南，成都，長沙也顯擁堵現(xiàn) 象，交通擁堵已向二三線城市蔓延。隨著中國經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，人民生活水 平的快速提高，機(jī)動車保有量以及增長速度屢創(chuàng)新高。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)在每增加100 萬輛車，北京需要增加的公路里程數(shù)至少應(yīng)該達(dá)到2800公里，這一數(shù)字相當(dāng)于三 環(huán)以內(nèi)已經(jīng)有的公路網(wǎng)絡(luò)的容量，因此，很難在道路上面再去

2、拓展，再去增加。 各種治堵方案層出不窮，但至目前為止，作用有限，效果不盡人意。故而，對于 人們?nèi)粘３鲂?，如果思考角度從地面二維空間向低空三維空間轉(zhuǎn)變，鑒于三維空 間的無限性，通過一種合適的方式和手段，必能解決現(xiàn)有的各種出項(xiàng)困局。撲翼飛行器是人類最古老的夢想之一，就是能夠肩插雙翅像鳥一樣在天空自 由飛翔。與傳統(tǒng)的固定翼和旋翼飛行器相比，撲翼飛行器的主要特點(diǎn)是，將升力、 懸停、推進(jìn)、控制功能全面集成于撲翼系統(tǒng)中，可以用很少的能量進(jìn)行遠(yuǎn)距離飛 行，同時具有高效率、高機(jī)動性、低噪音、無須專用起飛著陸場地等。載人的大致上可以分為兩類：一類是手動的，就是動力來源于手臂撲扇；一類是引擎作為動力來源的。在18

3、94年左右，一個叫做奧多 Otto Lilienthal的家伙在德國變得非常出名，主要是他幾次公開的滑翔飛行，而且都成功了。同時這位老兄也 對撲翼飛機(jī)進(jìn)行了數(shù)次的實(shí)驗(yàn)。最后他還建造了這樣的一架飛行器，可惜這位老兄走 的太早，這項(xiàng)工程就沒有完成。最近的（意思就是中間的我就不搞文字工作了）在號，多倫多航空學(xué)院的一個哥們叫做todd reichert，試飛了一架人力的撲翼飛機(jī)，這飛機(jī)有個好名字叫做雪鳥。 這架翼展達(dá)32M重約92.59磅的大家伙使用碳纖維、玻薩輕木、泡沫制作而成的；這 個飛機(jī)可以飛15.91英里每小時。2,空氣動力學(xué)原理如果你想深入的了解撲翼飛機(jī)，編者的建議是去英文網(wǎng)頁搜索，那里有很

4、多注釋。其中之一：17、T.J. Mueller and J.D. DeLaurier, An Overview of Micro Air Vehicle Aerodynamics, Fixed and Flapping Wing Aerodynamics for Micro Air Vehicle Applications, Paul Zarchan, Editor-in-Chief, Volume 195, AIAA, 20013“破繭”柔性翼兩棲飛行器 2008年10月 13 日 11:59 新浪航空設(shè)計引言“破繭”柔性翼兩棲飛行器是一款仿生折疊翼的小型撲翼機(jī)，適用于低空的中低速飛行，

5、可用于的休閑觀光，環(huán)境監(jiān)測，航拍、航模等不同的領(lǐng)域。撲翼飛行器是人類最古老的夢想之一，就是能夠肩插雙翅像鳥一樣在天空自由飛翔。與 傳統(tǒng)的固定翼和旋翼飛行器相比，撲翼飛行器的主要特點(diǎn)是，將升力、懸停、推進(jìn)、控制功 能全面集成于撲翼系統(tǒng)中，可以用很少的能量進(jìn)行遠(yuǎn)距離飛行，同時具有高效率、高機(jī)動性、 低噪音、無須專用起飛著陸場地等。同時，科學(xué)家對眾多的撲翼飛行的生物研究中發(fā)現(xiàn)，蝙蝠在飛行過程中翼的扇動與翼的 柔韌性及彈性配合得天衣無縫，堪稱是世界上最離奇、最完美的運(yùn)動。蝙蝠在飛行過程中身 體旋轉(zhuǎn)180度所需距離只有其翼展長度的一半。同時，與其它動物相比，蝙蝠翼展面積之大 還有效保證了它在飛行過程中只

6、需消耗極少的能量就能夠產(chǎn)生理想的上升力。盡管其它鳥類 和昆蟲在飛行過程中都會有翅膀的翻轉(zhuǎn)和折疊現(xiàn)象，但與之相比蝙蝠在飛行過程中翼的活動 控制更為自如?！捌评O”柔性翼兩棲飛行器正是基于蝙蝠飛行原理的小型兩棲撲翼機(jī)。設(shè)計創(chuàng)新點(diǎn)：仿生造型：仿生翼龍和蝙蝠的翅膀構(gòu)造，且折疊機(jī)翼瞬間打開時如同飛蛾破繭而出， 一飛沖天，這也是名字的由來。流線型的造型有較好的空氣動力學(xué)性能，具有速度感。輕質(zhì)材料：彈性的鈦合金骨架蒙以太陽能聚合物透明薄膜構(gòu)成的機(jī)翼，如同昆蟲的翅 膀一般輕盈柔韌。隨著科學(xué)界對復(fù)合結(jié)構(gòu)、輕盈智能型材料、能量生產(chǎn)和儲存等領(lǐng)域的研究， 機(jī)翼材料可以由超薄太陽能電池組成的“皮膚”代替。節(jié)能環(huán)保：撲翼飛

7、行，消耗能量少，機(jī)動性高；使用氫氧燃料電池，綠色能源，減少 對環(huán)境的污染。折疊機(jī)翼：充分地折疊機(jī)翼，減少了陸地行駛時的阻力，節(jié)約了更加便捷，更好地實(shí) 現(xiàn)兩棲。垂直/短距起降：無須專用起降場地，在起飛著陸場地有限的情況下可撲翼垂直起降。D.tU-I&4PNflpxPKiT|rt= 1WD.tU-I&4PNflpxPKiT|rt= 1W從生物（例如飛行的昆蟲或鳥類）飛行上得到靈感，研究者正在試圖設(shè)計一種撲翼小型 飛行器一一微型空中車輛（MAVs）1，以實(shí)現(xiàn)一些新的飛行性能。發(fā)展這種飛行器最重要 的一步是理解鳥類和昆蟲撲翼的空氣動力學(xué)特性。在這則新聞中，我們給出了蜂雀撲翼的空 氣動力學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬

8、，數(shù)值模擬是由和H.C.Choi2用ADINA FSI完成的。針對 甲蟲飛行也做過類似的分析3。圖1和下邊的動畫顯示的是研究用的實(shí)驗(yàn)裝置。撲翼模型是用壓克力材料做的，其大小接 近蜂雀翅膀的尺寸。實(shí)驗(yàn)過程中撲翼模型經(jīng)歷平移和旋轉(zhuǎn)，類似蜂雀翅膀在飛行中的狀態(tài)。 撲翼所受到的提升和拖曳力是靠力傳感器測量的。由于測量空氣的作用力比較困難，實(shí)驗(yàn)是 在水中進(jìn)行的。WingWaterSiltFenceFarce曲tie farra、Timing 頃 WingWaterSiltFenceFarce曲tie farra、Timing 頃 XAcryk plateStopping motoF X tor rota

9、tionEncoderII板/- b Encoder Gearratio 13 pulleyWing length 、J圖1實(shí)驗(yàn)為了研究撲翼運(yùn)動過程中，結(jié)構(gòu)和周圍的流場情況，用ADINA FSI建立了撲翼的二維模 型和周圍的流場模型。流動認(rèn)為是不可壓縮的。因?yàn)閾湟碓诹鲌鲋杏写蠓鹊倪\(yùn)動，所以要用到ADINA FSI中的自適應(yīng)動網(wǎng)格功能。開頭的動畫顯示的是撲翼運(yùn)動過程中流場速度和壓力云圖。圖2顯示的是數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn) 測量得到的提升力和拖曳力的對比。數(shù)值模擬的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果非常吻合。心小.35岫 Exp- 3D *19拖曳力圖2二維FSI模型和三維實(shí)驗(yàn)結(jié)果提升和拖曳系數(shù)的對比圖3顯示的是撲翼運(yùn)

10、動的不同階段，周圍流場的流動情況?？梢钥吹綋湟磉\(yùn)動和旋轉(zhuǎn)過程 中漩渦形態(tài)的變化。圖3撲翼周圍流場的流動下邊的鏈接給出了撲翼運(yùn)動過程中速度場分布和計算網(wǎng)格的變化情況。Mesh(4MB)Velocity(2MB)ADINA Primer的第49題給出了 ADINA-FSI中自適應(yīng)動網(wǎng)格的使用方法。這個例子演示了 ADINA FSI在求解流體和結(jié)構(gòu)強(qiáng)耦合問題時的強(qiáng)大的功能。更多的信息 可以參考流固耦合功能。參考文獻(xiàn)Wikipedia article on MAV For a device in action, see this Youtube video.Private CommunicationT

11、Q. Le, D. Byun, YH. Yoo, J.H. Ko and H.C. Park, Experimental and Numerical Investigation of Beetle Flight, Proc. 2008 IEEE Int. Conf. on Robotics and Biomimetics, 21-2 Feb. 2009, pp. 234-239關(guān)鍵詞撲翼，微型空中車輛，MAV，流固耦合，F(xiàn)SI，空氣動力學(xué)，生物，機(jī)器人，自適應(yīng)動網(wǎng) 格Courtesy of H.T Oh (Korea University) and H.C. Choi (KIST)2、大型和中

12、型載人撲翼飛行：由于具有高效率、高機(jī)動性、低噪音、無須專用起飛著陸場地等特點(diǎn)，可研制的產(chǎn)品有。A：背負(fù)式個人撲翼飛行器：民用：航空體育運(yùn)動。取代滑翔傘和動力傘的大部分用途。軍用：使得單兵具有蝙蝠俠能力，克服了動力傘的許多缺點(diǎn)。該機(jī)型綜合了機(jī)降與傘降 的優(yōu)點(diǎn)，也許空軍將會出現(xiàn)一個全新的兵種。B：水上撲翼飛行汽車：平時機(jī)翼像鳥一樣收縮折疊在車頂，是水陸兩用汽車。飛行時無須專用的起飛著陸場地， 在水面或地面可伸開雙翼完成短距/垂直起降，是將汽車、游艇、私人飛機(jī)融為一體且具有 革命性的現(xiàn)代化交通工具。民用：是一種低成本、低耗費(fèi)的陸?？胀ㄓ媒煌üぞ?，可由汽車生產(chǎn)線批量生產(chǎn)，使用 普通汽車燃料，可停放于普

13、通汽車的車位中，便于普及并提高民眾的生活素質(zhì)。軍用：因具有高機(jī)動性和低噪音可迅速從隱蔽場所起飛攻擊武裝直升機(jī)、坦克等等。并 能取代直升機(jī)將特種部隊(duì)投放到敵后。該機(jī)型已獲國家發(fā)明專利。3、人力撲翼飛行器：目前成功的人力飛行器是靠螺旋槳推進(jìn)的人力固定翼飛行器。旋翼飛行器的效率只有固 定翼飛行器的1/4,因此人力旋翼飛行器無成功的先例。撲翼飛行器的效率是固定翼飛 行器的5倍，設(shè)計制造和控制合理、靠較長距離滑跑起降飛行的人力撲翼飛行器將有很大的 希望。將可能像自行車、劃艇一樣成為奧運(yùn)會的器械運(yùn)動項(xiàng)目。本次展出的為大鵬二號和大鵬三號撲翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺，歷經(jīng)十四年的業(yè)余時間構(gòu)思準(zhǔn) 備，由計算機(jī)參數(shù)化三維設(shè)

14、計及模擬分析，其主要零部件由數(shù)控加工中心制造。大鵬二號首飛于2004年5月7日在鵬城深圳市南山區(qū)荔香公園進(jìn)行。撲翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺本體的設(shè)計制造由張斗三、高永寧、程紀(jì)合作完成。撲翼飛行器實(shí)驗(yàn)平臺的自動控制系統(tǒng)及空氣動力學(xué)研究與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作完成。已經(jīng)在第六屆中國國際高新技術(shù)成果交易會的大學(xué)城館中展出。大鵬二號無人撲翼飛行器（有尾翼機(jī)型）大鵬二號無人有尾翼機(jī)型撲翼飛行器是水上撲翼飛行汽車（1： 10）的第二版本實(shí)驗(yàn)平 臺，1994年五一期間在深圳研制（客廳中組裝），首飛于2004年5月7日在鵬城深圳市南山 區(qū)荔香公園進(jìn)行。該機(jī)利用業(yè)余時間經(jīng)計算機(jī)參數(shù)化三維設(shè)計及模擬分析，其主要零部件由 數(shù)控加

15、工中心制造，其余大部分零部件由手工制成。已經(jīng)在第六屆中國國際高新技術(shù)成果交 易會的大學(xué)城館中展出。大鵬二號的方向控制及升降控制由全動式尾翼完成，具有較高的機(jī)動性。一對主翼為改 進(jìn)的NACA64 0 9凹凸翼型，尾翼為NACA0009對稱雙凸翼型。翼展120CM，主翼的撲動包 含上下和前后運(yùn)動。動力源為高速直流電機(jī)和鋰離子電池。材料為碳纖維、玻璃鋼、硬質(zhì)鋁 合金、高碳鋼、不銹鋼、竹、蒙布、無線電控制電路等等。大鵬三號無人撲翼飛行器（飛翼/無尾翼機(jī)型）大鵬三號無人無尾翼機(jī)型撲翼飛行器是水上撲翼飛行汽車（1： 10）的第三版本實(shí)驗(yàn)平 臺，無尾翼撲翼飛行器（飛翼）具有短機(jī)身、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn)。自然界中大雁、天鵝、 信天翁等善于遠(yuǎn)距離飛行的大型鳥類是無尾翼（尾翼基本退化）。1994年十一期間在深圳研 制（客廳中組裝）。該機(jī)利用業(yè)余時間經(jīng)計算機(jī)參數(shù)化三維設(shè)計及模擬分析，其主要零部件 由數(shù)控加工中心制造，其余