仿生扑翼飞行器的发展与展望

仿生扑翼飞行器的发展与展望

摘要：本文简要介绍了仿生扑翼飞行器的概念、特点及其历史，概述了仿生扑翼飞行器在国内外早期和当前的研究现状及未来的发展趋势。在此基础上，就目前研究中迫切需要解决的一些关键技术进行了讨论，并结合目前研究情况，对我国仿生扑翼飞行器的未来发展前景进行了展望。

关键词仿生；扑翼飞行器；微型飞行器；关键技术

Abstract：The concept，characteristics and usage of flapping-wing air vehicle are briefly

introduced．The present research situation and future development trend of FA V are summarized．

According to these，several key technologies of FA V are discussed．Taking into account the present

situation .the future on the research of FA V in China is outlined．

Key words：Bionics ; Flapping-wing air vehicle ; Micro air vehicle ; Key technology

1仿生飞行的历史与进展

1．1向鸟类学习

在中国两千年以前的航空神话和传说中，就有“人要是长着翅膀，就能在空中飞行”、“人骑着某种神奇的动物，可以飞行”等反映古人飞行理想和愿望的文字记载。多数昆虫长着一左一右两个或4个翅膀，他们都是飞行家，飞行技术非常高明。但因为昆虫比较小，翅膀的运动速度太快，不易被观察，在古人眼里，只认为鸟类是可以模仿的、最好的飞行家。传说中春秋时代(公元前770-前481)后期，鲁国著名的能工巧匠公输盘(有些史籍也记作“公输班”)研究并花费3年时间制造了能飞的木鸟，又名木鸢。如图所示

1．2实现飞行

1783年，法国蒙哥尔费兄弟发明热气球并载人飞行，开始了人类真正的空中航行。在人类利用轻于空气的航空器获得成功的

同时，也对重于空气的航空器一飞机进行探索和试验。英国的乔治．凯利(Cayley G)率先提出利用固定机翼产生升力的概念，他把鸟的飞行原理从上升和推进两种功能区别

开来，设计制造了能载人的滑翔机。1903

年莱特兄弟在滑翔机基础上加装自制内燃

机制成的“飞行者”1号试飞成功，持续时间59秒，标志着动力飞机飞行成功，开辟了人类的飞行新纪元，人类翱翔蓝天的梦想

得以真正实现。

1．3微型飞行器

1992年，美国国防高级研究计划局召开了关于未来军事技术的研讨会，第一次提出了微型飞行器MAY(Micro Air Vehicle)的概念，并提出其量级与昆虫及小鸟相似。从现有的研究情况看，微型飞行器按其飞行方式可分为传统的固定翼布局、旋翼布局和仿生扑翼式布局3类。固定翼式和旋翼式微型飞行器的研究迄今为止都达到了相当的水平。2000年8月，“Black Widow”原型机经过不断改进后，留空时间达到30分钟，最大活动半径为1.8km，最大飞行高度约235m，飞行重量为80克。旋翼微型飞行器因能垂直起降和悬停，比较适宜于在室内等狭小空间或较复杂地形环境中使用。回顾人类飞行的历史，研究者们重新认识到，纵观自然界的飞行生物，无一例外均采用扑翼的飞行方式，扑翼飞行是生物进化的最优飞行方式。于是人们又开始着眼于扑翼飞行器的研究。微型扑翼飞行器的机动性、灵活性及低能耗等方面可与蜻蜓、蜜蜂、或蜂鸟等飞行生物相媲美。经过近20年来研究者们的共同努力，微型扑翼飞行器在仿生学飞行机理、能

源和驱动、运动和控制、通信和传感等当面都取得了很大的进展。随着微型扑翼飞行器研究的深入，有关扑翼飞行器翅翼的驱动方式也成为这一领域的研究热点之一。

2仿生扑翼飞行器的特点

仿生学研究表明，动物飞行能力和技巧的多样性多半来源于它们翅膀的多样性和微妙复杂的翅膀运动模式。仿生扑翼飞行器在低速飞行时所需的功率要比普通飞机小得多，并且具有优异的垂直起落能力，但要真正实现像鸟类翅膀那样的复杂运动模式，或是像蜻蜓等昆虫那样高频扑翅运动是非常困难。扑翼飞行与其他飞行方式的不同之处就在于它借助机翼的上下扑动来产生升力和推力，将悬停、推进飞行以及实现飞行转向等都集中于一个扑翼系统，因此设计出高效可靠的扑翼驱动机构就显得尤为重要。一般的，扑翼驱动机构是由机架、输入杆、左右翅膀杆和连接杆件组成。机架为飞行器机身，输入杆连接扑翼机构动力源，连接杆件为除机架、输入杆和左右翅杆之外的杆件，左右翅膀杆为使机翼产生上下扑动的杆件。输入杆获得动力后，带动其他杆件，使左右翅膀杆产生扑动。设计的扑翼驱动机构要求结构紧凑、摩擦阻力小以及要能够实现像动物翅膀扑动的多样复合运动。由于动物飞行的高升力机理及其飞行的灵巧性都与它们翅膀复杂的运动模式有关，因此通过机械结构实现如此复杂的运动模式具有很大的难度。到目前为止，只有在对动物飞行机制的分析提炼与简化的基础上，通过设计扑翼驱动机构来实现仿生扑翼飞行的运动模式。主要分为两类，一类是仅仅产生上、下扑动的机构，即平面扑翼驱动机构；另一类是能像动物翅膀在扑动时，产生扭转、折叠动作以减小阻力和应用非定常机理的机构，即空间扑翼机构。由于高频扑动的空间扑翼机构的实现具有很大的难度，至今只有Dickinson就空间扑翼模型及其动力特性作了详细研究。本文将就平面扑翼驱动机构的设计进行探讨。

3国外研究情况

初期的扑翼飞行器发展融入了许多科学家的艰苦努力，但整体上都显得较为庞大且也相当笨重，离实用还相距甚远，和目前发展的扑翼飞行器相比，也显得很笨拙，但是却为后期的研究工作提供了一定的理论基础和实践经验。随着MEMS技术、空气动力学和新型材料等的发展，如今的扑翼飞行器也越来越灵巧且逐渐小型化，离实用也越来越近，它的发展也成为飞行器研究领域最为热门的前沿学科。其主要的进展有以下几方面：

3.1“大扑翼”

20世纪末，扑翼飞行器的发展也取得了可喜的成功．在1996年，加拿大人詹姆斯．德拉瑞尔研制了“大扑翼”，由2 4马力的两冲程超轻型发动机通过一个机械驱动装置直接与机翼相连，一个链齿条装置驱动位于飞行员身后的两个构架上下运动，使机翼中段被反复抬出。在发动机转到3800转／分的最大速度时，机翼能扑动1.3次每秒。德拉瑞尔也认识到设计上最大的挑战是机翼，必须承认这是历史上技术最复杂的机翼。通过研究鸟类飞行的慢动作照片，结果发现在这一瞬间发生了太多不同的运动，要模仿这些运动实在不易。在设计时，德拉瑞尔提出，只要能产生扑动和扭转运动巧妙结合的效果就足够了，经过多年研究，他们验证了一种剪切一弯曲设计和三轴控制方法原理的可行性，在“大扑翼”上，飞行员通过操纵水平安定面来控制俯仰，侧向控制应该是扑翼的第三个功能，“大扑翼”的机翼还不行，它的机翼设计排除了使用常规的副翼进行直接滚转控制的可能，因此还得依靠方向舵。至于滚转控制则靠的是一种偏航一滚转耦合的方法。然而理论研究和模型试验不能证明一切，所有设计都还需在试飞中检验。遗憾的是“大扑翼”的首次试飞以及改进后的试飞均未达到要求，但它却为随后的深入研究提供了很好的经验基础。

3.2微型扑翼飞行器

自20世纪中后期以来，鉴于仿生扑翼飞行器潜在的更具吸引力的应用前景，其在短时间内就吸引了许多研究者的关注，关于较大尺寸及微型扑翼的空气动力学研究也