仿生扑翼飞行器设计新进展

仿生扑翼飞行器设计新进展
仿生扑翼飞行器是一种新型飞行器，其体积小、重量轻、隐蔽性好等特点在军事领域和民用领域受到广泛关注。

文章综述了仿生扑翼飞行器的结构分类和升力产生机理，总结国内外研究的理论成果，并介绍现阶段研究所面临的困难，阐述仿生扑翼飞行器的发展前景。

标签：仿生扑翼飞行器；仿生学；结构设计
1 概述
仿生扑翼飞行器是将推进、爬升和悬停集于一个撲翼系统的新型飞行器。

近年来，国内外专家着手于仿生扑翼飞行器飞行的姿态、空气动力学和能量转换等方面的研究，虽然取得了阶段性的成果，仍面临许多问题[1]。

随后将按照分类与布局、获取升力原理、研究成果和面临问题的顺序对扑翼飞行器国内外现状进行总结。

2 扑翼的分类
国内外设计的扑翼飞行器主要有单对和双对两种驱动形式。

单对扑翼飞行器采用曲柄摇杆机构或压电材料驱动，可实现翅膀的怕打与扭转。

机翼设计成仿生骨架结构，采用碳纤维材料制成，再在骨架上粘贴仿生翼膜，形成类似蝙蝠翅膀的仿生翼。

这种仿生翼具有很高的强度和韧性有更高的横向稳定性。

双对扑翼飞行器是采用化学肌肉材料设计的一种仿生飞行器。

可借助MEMS 技术使飞行器尺寸微小化，其独特的飞行方式能够实现快速启动、长时间飞行和悬停，同时可以保持翅膀不动滑行一段距离，大大减少了能源的使用[2]。

3 扑翼产生升力的原理
3.1 Weis-Fogh机制
1973年，Weis-Fogh研究发现小黄蜂在起飞前两翅前缘相互靠拢然后迅速打开，此时在两翅中间形成低压腔，将周围空气快速吸入，在翅膀周围形成漩涡。

该漩涡附着在翼尖附近不脱落，给昆虫向上举升的力，从而产生瞬时高升力。

随后他又将这一现象从理论和实验角度进行分析，最终证明此现象为扑翼飞行产生升力的主要原因之一[3]。

3.2 延时失速效应
1997年，英国剑桥大学的Ellington在空气流场中放入飞蛾的翅膀模型，模拟飞蛾的飞行姿态[4]。

实验发现扑翼下拍时在翅膀前缘产生一个强烈的前缘涡，使靠近前缘上表面形成低压区，上下翅面产生压强差，大大提高飞行所需升力。

随后Ellington又发现翅膀表面产生一展向流动，使前缘涡在形成后紧贴翅膀表面，随着迎角的增大，保证前缘涡不发生脱落造成失速。

经试验和理论证明后，将这一现象命名为“延时失速效应”。

3.3 尾迹捕获机制Wake Capture
1999年，美国加州大学的Michael Dickinson等人在Ellington研究的基础上将一对果蝇的翅膀模型放入到研究气动力的油液中。

试验发现翅膀在一个扑动周期内发生两次扭转，每次扭转翅膀都会以相反的方向遇到前一个行程产生的气流扰动，这使得翅膀与空气的相对速度增加，增加了飞行时的额外动力，此现象后被命名为“尾迹捕获“。

4 仿生扑翼飞行器的新进展
1998年，加州理工学院和加利福尼亚大学微机械研究实验室联合研制了微型蝙蝠“Micro Bat”，是一种最早由微型电机和精密机械机构传动的仿生物飞行的电动扑翼飞行器，该机身骨架和机翼采用新型超强复合材料，翼型仿照蝙蝠和昆虫的翅膀制作，采用MEMS技术加工制成，可实现短时间的飞行和完成简单的飞行动作。

2013年，Festo公司研制的仿生蜻蜓BionicOpter可以向各个方向飞行，为了控制共有的振翅频率和各翅膀的扭转，在四个翅膀的每一个上都采用了振幅控制器，翅膀的扭转决定着推力方向。

通过振幅控制器，推力的大小能够得到调节。

高度集成的轻量结构设计实现独特飞行特性，无论是感应器、执行元件和传动机构等部件，还是控制和调节技术装备，其安装空间紧凑并相互配合。

BionicOpter 翼展有63cm、身长44cm、重量为175克。

它的四只翅膀是由碳纤制造，身体由具弹性的聚酰胺和三元制成，里面载有一个ARM处理器、九个伺服电动机、电池和无线接收器等。

每只翅膀都有一个独立的振幅控制器，它们会协调地转动和摆动使到BionicOpter 能够飞向任何方向，甚至是定点悬浮。

5 研究的关键性问题
扑翼驱动机构是微型扑翼飞行器扑翼系统的关键所在，其性能的好坏直接关系到翅翼的运动形式、气动力的产生以及能量的利用效率，传统的机械结构简单不能完全模仿昆虫的飞行姿态灵活性较差，如何合理设计扑翼飞行器的新型驱动机构是目前面临的主要问题。

现阶段的飞行器样机大多采用聚合物锂电池提供能量，这大大增加了飞行器的尺寸和重量，同时不能很好的为飞行器提供动力，随着技术发展要求对能源的质量及功率等方面进行深入研究。

扑翼飞行器的控制方式与传统的固定翼控制不同，其飞行姿态依靠改变扑翼运动方式和尾翼的配合共同完成，关键包括辅助与自主飞行控制基础理论和技术问题，飞行数据采集和控制元件的设计及方案实施，将各个控制器件、导航和信
息接收集成化也是仿生扑翼飞行器设计的主要研究问题。

6 结束语
仿生扑翼飞行器的研究涉及空气动力学、仿生学和结构设计学科，近年来国内外学者进行大量的理论分析和实验研究，初步掌握了扑翼飞行器的理论知识，但要想真正实现模仿昆虫的飞行姿态仍然需要进一步的努力，突破目前所面临的难点。

随着微机电系统技术的成熟，未来的仿生扑翼飞行器将更加的小型化、集成化，一旦仿生扑翼飞行器应用到军事和民用领域，它所带来经济效益和社会作用将是不可估量的。

参考文献
[1]刘岚，方宗德.微型扑翼飞行器的升力风洞实验[J].航空动力学报，2007，22（8）：320-321.
[2]刘岚，方宗德，侯宇，等.仿生微扑翼飞行器的翅翼设计与优化[J].机械科学与技术，2005，24（3）：330-331.
[3]曾锐，昂海松.仿鸟复合振动的扑翼气动分析[J].南京航空航天大学学报，2003，35（1）：6-12.
[4]孙茂，吴江浩.微型飞行器的仿生流体力学[J].航空动力学报，2002，23（5）：385-386.
郝永平（1960-），男，工学博士，沈阳理工大学教授，博士研究生导师，主要从事CAD/CAM集成一体化技术、网络协同设计与制造技术、微电子机械系统（MEMS）等方面的研究。

李伦（1989-），男，沈阳理工大学硕士研究生，主要从事仿生复眼结构设计、成像分析、复眼图形处理等方面的研究。