微型飞行器

图1：微型飞行器图2：微型直升机

命题教师：1.出题用小四号、宋体输入打印， 纸张大小为8K.

考 生：1.不得用红色笔，铅笔答题，不得在试题纸外的其他纸张上答题，否则试卷无效。2.参加同卷考试的学生必须在“备注”栏中填写“同卷”字样。3.考试作弊者，给予留校察看处分；叫他人代考或代他

人考试者，双方均给予开除学籍处理。并取消授予学士学位资格，该科成绩以零分记。

监测化学、核或生物武器，侦察建筑物内部情况。可适用于城市、丛林等多种战争环境。因为其便于携带，操作简单，安全性好的优点，可以在部队中大量装备。在非军事领域，配置有相应传感器的微型飞行器可以用来搜寻灾难幸存者、有毒气体或化学物质源，消灭农作物害虫等。

1.4主要特点

微型飞行器不同于传统概念上的飞机，它是MEMS （微机电系统）集成技术的产物。微型飞行器的姿态控制系统中的微型地平仪、微型高度计，导航系统中的微型磁场传感器和微型加速度计、微陀螺仪等，飞行控制系统中的微型空速计、微型舵机等，在微型飞行器上应用的微型摄像机、微型通讯系统等，都需要MEMS 技术的支持，以减少体积和重量，改善飞行器的性能。微型飞行器的动力——微型发动机也需利用MEMS 技术制造，所以说，微型飞行器除机身和机翼外，都需依靠MEMS 技术，甚至机翼也可以用MEMS 技术制造灵巧蒙皮，以控制飞行器的飞行姿态。

2 研究现状

从已有的研究情况看，大致可将微型飞行器分为两类：一类是以DARPA 定义为基础相应研制的15厘米左右的微型飞行器；另一类是尺寸更加微小的只有几个厘米或毫米大小的微型飞行器或微型飞行机器人。

根据发展情况，微型飞机主要有三大类别，分别是固定翼微型飞行器，微小扑翼机和微型直升机，以下列举几种：

（1） Aero Vironment 公司的“Black Widow ”

该微型飞行器采用固定翼飞行模式，外形类似于盘装飞碟。最大直径15厘米，由微电机驱动前置螺旋桨产生拉力，采用锂电池提供能源，微型飞控系统由计算机、无线接收器和三个微电机驱动的执行器组成。经试飞其留空时间为16分钟，最大飞行速度70公里/小时。设计人员目前正在为其添加必要的通信系统和导航设备，以使其更加具备实用要求。“Black Widow ”代表了目前为飞行器的较高技术水平。 （2） Lockheed Martin 公司的“MicroST AR ”

“MicroST AR ”也是一种采用固定翼飞行模式的微型飞行器，他的设计总重为85克，留空时间20分钟，未来将具备GPS 导航定位系统和摄像功能。Lockheed Martin 公司计划将“MicroST AR ”设计成为战场上前所未有的高效侦察工具。

图3： “Black Widow ”微型飞行器 图4：“MicroST AR ”微型飞行器 （3） Lutronix 公司与Auburn 大学合作研制的“Kolibri ”

该微型飞行器是一种旋翼飞机，能够垂直起降和悬停，其直径为10厘米，总重316克，有效负载约100克，可飞行时间30分钟，装有Draper 实验室研制的GPS 、加速度计和陀螺仪集成系统等，动力装置为D-STAR 公司提供的微型柴油发动机。旋翼微型飞行器与固定翼微型飞行器相比的最大优点是能够垂直起降和悬停，因此比较适宜于在室内等狭小空间或较复杂地形环境中使用。 （4） Caltech 的扑翼“MicroBat ”

“MicroBat ”是一种防生物飞行方式的扑翼微型飞行器，其机翼是通过模仿蝙蝠和昆虫的翅膀，并用MEMS 技术加工制作而成。该微型飞行器的研究人员通过大量实验研究了扑翼飞行方式的非定常空气动力学特征，并制作了一种轻型传动机构将微电机的转动转变为了机翼的扇动。飞行试验表明该微型飞行器目前使用电池作为能源可飞行5-20秒。

图4：“Kolibri ”微型飞行器 图5： “MicroBat ”微型飞行器 （5） 美国环境航空公司研制的“黑寡妇”微型飞机

命题教师：1.出题用小四号、宋体输入打印， 纸张大小为8K.

考 生：1.不得用红色笔，铅笔答题，不得在试题纸外的其他纸张上答题，否则试卷无效。2.参加同卷考试的学生必须在“备注”栏中填写“同卷”字样。3.考试作弊者，给予留校察看处分；叫他人代考或代他

人考试者，双方均给予开除学籍处理。并取消授予学士学位资格，该科成绩以零分记。

“黑寡妇”是由美国环境航空公司研制的圆盘形的微型飞机，飞机的全重，它的全机重量仅仅60克，其中，动力系统，动力系统包括电池，电机，减速器和螺旋桨37克，飞机结构重量10克，比例控制系统重6克，任务载荷，包括摄像机，传输系统7克。1993年3月22日，黑寡妇飞机创造了该类飞机的多项世界纪录。包括巡航时间22分钟，飞行距离16公里，巡航速度每秒12米，俯冲速度达到每秒20米。

图6： “黑寡妇”微型飞机

（6） 西北工业大学研究的微扑翼飞行器

该微扑翼飞行器有体积小、重量轻、成本低、隐身性和可操作性好等特点，经研 究采用特殊驱动机构。 其驱动机构的设计原则是： ① 能实现预定的运动规律；

② 尽可能简单轻巧，即满足需要 的情况下，重量和尺寸越小越 好；

③ 运动高效可靠。即运动 机构的效率要高，能量消耗要 少，且在高频的扑翼运动下机构不会失效。 其驱动机构特点：

(1)结构简单牢固。经数次试飞结构牢固可靠， 样机在扑翼频率20—30Hz 工况下，可持续无故障工作。胶粘剂应该慎重选用，若选用不当，可导致试飞时辅助元件脱落。 (2)质量和尺寸小。特征尺寸小于20mm ，重量轻，仅3．19，设计时充分考虑了机身总体重量，在 驱动机构的设计上在保证传动情况下尽量减少不必要 的结构，板材采用碳纤维。

(3)高效节能、传动效率高。两翼相位差最大值(△妒=3．096。)小于以前设计值6。，减小了 50％，提高了样机的稳定性和平衡性。 装配样机后多次进行实验(试飞)，初始飞出姿态良好，可持续飞行10～20s ，有望实现更长时间的可控飞行。

图7： “微扑翼飞行器

3 技术归纳

下面7条关键技术是归纳和总结出来的研究和发展微型飞行器所必须解决的问题，也就是说是我们面临的挑战。

第一条，就是低雷诺数的空气学问题。 第二条，高推重比的微型动力系统， 第三条，大容积重量比的结构设计技术。 第四条，飞行稳定性操纵性与控制技术。

第五条，弱功率信号下的超视距遥控导航信息传递技术。 第六条，多学科设计优化技术。

第七条，基于微机电（MEMS 技术）的加工与制造技术。