免费飞机设计：MAV微型飞行器研究进展与总体设计
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国内微型飞行器的研究不如国外发达国家那 般积极，主要集中在各高校和院所。在此仅简略 介绍（见图4）。
图4依次是：清华精仪系研制的微型飞行 器、南京航空航天大学研制的微型飞行器（“翠 鸟-07”，具有基于MEMS技术的微型自主飞行控 制系统和实时图象传输和“云雀-01”，展长15
13
孙 瑜 等：MAV微型飞行器研究进展与总体设计
（a） 图 1 美国微型飞行器
（b）
1.1.2 法国
法国也对该领域进行了开发与研究，他们首
先对翼展为20 cm的微型飞行器进行概念性研究。
法国武器装备部在2000年启动为期5年的联合计
划，目的是对微型飞行器及其系统技术和作战使
用进行论证。法国研制的微型飞行器在2005年前
进行首次飞行（不带有效载荷）。最初两年的研
翼梢涡
螺旋桨滑流
低雷诺数影响
翼梢涡
图 6 微型飞行器表面流动区域[1]
考虑翼梢涡影响的经验公式：
CL,vor CD,vor
（1）
根据模型绘制网格是CFD计算很关键的一
步，结构网格和非结构网格的选择、网格的分区
以及网格量的大小都直接影响着计算结果的准确
性，类似的三维网格如图7所示。
究将在几所大学和工业部门的科研实验室联合进
行，并向法国武器装备部提供设计方案。2007年9
月17日，第七届国际微型飞行器（MAV7）大会以 及飞行大赛在法国图卢兹举行（见图2）。
图 2 第七届国际微型飞行器作品
1.1.3 日本 日本开发成功当今世界上最轻的微型无人机
“μFR－II”。该机采用二重反转式螺旋桨，可 以按照程序设计路线自主飞行，携带微型摄像机 并可以将拍摄到的画像情报迅速传送回基地。该 机直径136 mm、高85 mm、自重12.3 g，可持续飞 行3 min。今后其飞行时间将得到延长。该机未来 将主要担负室内恐怖活动发生时或核灾害场所的 情报收集任务（见图3）。
第30卷
cm，达到美国微型飞行器低雷诺数小尺寸研究水 平），以及北航机器人研究所研发的两款扑翼微 型飞行器。
（a）
（b）
（c）
（d）
图 4 国内微型飞行器
2 总体设计方法
目前MAV设计相关的关键技术主要有超轻 型机体结构、机载设备及部件微型化、微型动力 源、空气动力学、自主控制、数据传输等。设计 目标主要是巡航状态的最大续航能力，另外MAV 还应满足城市环境下以准许的转弯半径和响应时 间飞行的任务要求[3,4]。 2.1 设计目标与困难
数。
表 2 参考翼型参数[1]
翼型 MH45 N0009 S5010 6063 S8025
类型 弯度/%
S翼型 1.64
对称
0
S翼型 2.21
近似对称 1.43
近似对称 0.49
t/c/% 9.85 9 9.83 7.05 8
Cd,0 0.017 0.011 0.016 0.01 0.01
Cm,c/d -0.006
准确地计算出作用在飞机上的气动力是设 计飞机的关键，对于设计MAV来说，这是一个挑 战，因为关于小展弦比机翼在低雷诺数飞行时的 试验数据几乎为零，而且在低雷诺数情况下，经 典的空气动力学也失去了其利用的价值，因为展 弦比低于2的机翼在低雷诺数飞行情况下存在严重 的复杂的三维流动，这为我们设计MAV设置了一 个巨大的障碍。那么如何取得设计所需的数据？ 单独采取试验或CFD的方法是既耗费时间又耗费 金钱，而且试验精度不高，纯CFD的结果又与实 际情况有出入。所以我们采取试验与CFD相结合 的方法。 2.2 设计方法简要说明
图5为设计方法的流程图。
空 气
机翼设计
动
力 螺旋桨设计
学
模 型
垂尾设计
操纵面设计
多 学 科
部件 选择
优 继航
化 模拟
设
计 动力学
分析
环 境 测
Simulink 仿真
试 原型机
测试
图 5 设计方法流程图
2.3 空气动力学模型
与气动力相关的子系统有机翼、垂尾、螺旋 桨和操纵面，构造一个在对称和非对称飞行条件 下都能满足气动力要求的模型是设计的第一 步 [1,5]。 2.3.1 外形参数选择
垂尾 垂尾数 展长 展弦比 位置
操纵面 类型 展长 展弦比 位置
2.3.2 机翼设计
机翼设计是飞机设计的重要组成部分，本文
分为3步进行，分别是翼型选择、气动力计算和稳
定性检验。
（1）翼型选择
第一步是翼型选择。在低雷诺数下，能满足
升阻力和力矩特性并适合飞翼使用的翼型只有S
翼型和对称或近似对称翼型，表2为参考翼型的参
摘 要：系统地介绍了微型飞行器的定义、类型、任务和国内外发展现状，提出了现在微型飞行器设计的技术 难点，即在气动力计算时，经典的空气动力学不再适用以及缺乏小展弦比机翼在低雷诺数下飞行的试验数据， 针对这一难点提出了一套系统的设计方案，分为3个部分，分别是气动力建模、多学科优化和仿真与试验。在 气动力建模中采用试验与数值计算相结合的设计方法，在基础试验数据的粗略估算后进行CFD计算达到准确设 计的效果。在多学科优化中重点对续航能力进行了优化。最后通过比较仿真的结果和原型机飞行试验的数据对 设计进行了验证和反馈。此套设计方法适用于大多数微型飞行器的设计。
图 1（a）是 T A C M A V 微 型 无 人 机 ， 体 长 5 3 cm，翼展53 cm，机体用碳纤维复合材料制造，其 柔性的尼龙机翼可绕着机体折叠，因而能将整个 微型无人机装进那不大的圆筒内，携带和使用都 方便。
图1（b）是“黄蜂”无人侦察机（wasp），专 用于近距空中侦察，体长不超过33 cm，重约200 g， 机翼内装有2节锂高分子电池，不仅为电推进系统 提供动力，而且还为机翼提供结构支持，腹内装 有固定焦距的彩色侧拍和正拍照相机，拍摄的照 片可以传回到地面的控制中心。
and Astronautics , Beijing 100191, China )
Abstract : The definition, classification and function of the Micro Air Vehicle (MAV) are introduced as well as its developing status in the world. The technical difficulty of MAV design is put forward, that is the classic aerodynamics is no longer applicable under a serious influence of low Reynolds numbers, and flight test data of low aspect ratio wing is lacked. According to that difficulty, a systematic design scheme is proposed that includes aerodynamic modeling, multi-disciplinary optimization and simulation and testing. Numerical calculation combined with experiment is used in aerodynamic modeling. Multi-disciplinary optimization is emphasized on the capacity of endurance, and finally, the design verification and feedback by comparing simulation results and prototype flight testing data. This design method applies to most MAV design.
0 -0.007 -0.02 -0.003
（2）气动力计算 第二步是气动力计算。计算对称受力情况下 定直平飞时的气动力（阻力、升力和俯仰力矩）， 采取的方法是从风洞试验数据中获取基础数据， 然后通过CFD精确计算。 这是设计中最复杂和不确定性最大的一步， 因为流过微型飞行器表面的分为两类流动区域 （见图6），中央区域的流场受到低雷诺数效应的 影响的螺旋桨滑流，两端翼梢区域则受到翼梢涡 作用。由于低雷诺数效应，绕翼型的低雷诺数流
第6期
飞机设计
14
动会出现层流分离、转捩和产生分离泡等至今研 究不是很清楚的复杂流动现象。所以要准确地估 计气动力，只有试验与计算结合才有可能得到正 确结果。
采取的步骤是先从试验中得到2D平板升阻力 系数和展弦比为1.5时的平板升阻力系数，然后考 虑翼梢涡的影响重新计算升阻力系数，最后根据 模型建立合适的网格进行计算流体力学（CFD）计 算。
关键词：微型飞行器；研究进展；总体设计
中图分类号：V221
文献标识码：A
Research Status and Conceptual Design of Micro Air Vehicle
SUN Yu , ZHANG Jie , LIU Hu , WU Zhe ( School of Aeronautic Science and Technology, Beijing University of Aeronautics
世界诸多国家如火如荼地进行着微型飞行器 的研究，在世界处于研究领先地位的是美国、法 国、日本等发达国家。 1.1 国外研究进展 1.1.1 美国
美国是研究微型飞行器最早的国家。早在 1996年，美国国防部就把微型飞行器列为21世纪 美国排级士兵的随身装备，而在1997年4月，美国 DARPA正式立项，制订了一个为期4年、耗资3 500 万美元的微型飞行器研究与验证计划，1998年4 月，DARPA与一些研究单位签订了研究合同，其 研究范围涉及飞行器及其主要子系统，如推进系 统、飞行控制/引导系统和传感器等相关技术的研 究。美国在微型飞行器的研究方面已取得了重大 进展，其技术水平目前处于世界领先地位[2] 。
第30卷 第6期 121010年 12月
飞机设计 邹 辉 等：A高IR超CR声A速FT湍D流ES高IG效N模拟算法
文章编号：1673-4599（2010）06-0011-06
Vol. 30 No. 6 Dec 第23001卷0
MAV微型飞行器研究进展与总体设计
孙 瑜，张 杰，刘 虎，武 哲
（北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191）
图 3 日本（左）及以色列（右）的微型飞行器
1.1.4 以色列 以色列军方目前正在研发一种被称作“超
级大黄蜂”的远程遥控无人飞行器，它只有一只 黄蜂那么大，但威力却不可小觑。以军研制这种 微型无人机是为了防止黎巴嫩真主党、哈马斯等 发起的恐怖袭击。目前，该项目已经获得了以总 理奥尔默特的支持。国际军火商也投入了数百万 美元的联合研究经费，企图在事成后分一杯羹。 “小不点”竟能发火箭弹，“超级大黄蜂”个头 虽小，但“五脏俱全”。以色列情报部门可以用 它追踪军事目标并对可疑目标进行拍照，它甚至 可以发射导弹。 1.2 国内发展现状
设计首先应选择对气动力影响较大的外形参 数，如机翼的翼型、展弦比、垂尾的数量等。由 于各参数之间存在耦合，相互之间有不同程度的 影响，所以外形参数的选择需要综合循环考虑。 表1为可选取的外形参数的列表。
机翼 翼型 展长 展弦比 平面形状 翼尖形状
表 1 外形参数列表[1]
螺旋桨 叶型 直径 弦长分布 扭转分布 转速 位置
Key words : MAV ; developing status ; conceptual design
Fra Baidu bibliotek
微型飞行器（Micro Air Vehicle, MAV）又称纳 米飞行器或微纳米飞行器。微型飞行器定义为一 种尺寸为15 cm大小并能靠其自身能力飞行和完 成各种探测任务的飞行器[1]。微型飞行器是于20 世纪90年代发展起来，其应用技术基本上已超出
传统的飞机设计和空气动力技术的研究范畴，是 对传统航空技术的一种挑战，同时它的出现也开 拓了纳米技术和微机电系统技术在航空领域的应 用。微型飞行器的发展和应用，必将推动国防科 技工业的发展，并且具有广阔的民用前景。
收稿日期：2010-03-17；修订日期：2010-09-20
第6期
飞机设计
12
1 MAV研究进展
图4依次是：清华精仪系研制的微型飞行 器、南京航空航天大学研制的微型飞行器（“翠 鸟-07”，具有基于MEMS技术的微型自主飞行控 制系统和实时图象传输和“云雀-01”，展长15
13
孙 瑜 等：MAV微型飞行器研究进展与总体设计
（a） 图 1 美国微型飞行器
（b）
1.1.2 法国
法国也对该领域进行了开发与研究，他们首
先对翼展为20 cm的微型飞行器进行概念性研究。
法国武器装备部在2000年启动为期5年的联合计
划，目的是对微型飞行器及其系统技术和作战使
用进行论证。法国研制的微型飞行器在2005年前
进行首次飞行（不带有效载荷）。最初两年的研
翼梢涡
螺旋桨滑流
低雷诺数影响
翼梢涡
图 6 微型飞行器表面流动区域[1]
考虑翼梢涡影响的经验公式：
CL,vor CD,vor
（1）
根据模型绘制网格是CFD计算很关键的一
步，结构网格和非结构网格的选择、网格的分区
以及网格量的大小都直接影响着计算结果的准确
性，类似的三维网格如图7所示。
究将在几所大学和工业部门的科研实验室联合进
行，并向法国武器装备部提供设计方案。2007年9
月17日，第七届国际微型飞行器（MAV7）大会以 及飞行大赛在法国图卢兹举行（见图2）。
图 2 第七届国际微型飞行器作品
1.1.3 日本 日本开发成功当今世界上最轻的微型无人机
“μFR－II”。该机采用二重反转式螺旋桨，可 以按照程序设计路线自主飞行，携带微型摄像机 并可以将拍摄到的画像情报迅速传送回基地。该 机直径136 mm、高85 mm、自重12.3 g，可持续飞 行3 min。今后其飞行时间将得到延长。该机未来 将主要担负室内恐怖活动发生时或核灾害场所的 情报收集任务（见图3）。
第30卷
cm，达到美国微型飞行器低雷诺数小尺寸研究水 平），以及北航机器人研究所研发的两款扑翼微 型飞行器。
（a）
（b）
（c）
（d）
图 4 国内微型飞行器
2 总体设计方法
目前MAV设计相关的关键技术主要有超轻 型机体结构、机载设备及部件微型化、微型动力 源、空气动力学、自主控制、数据传输等。设计 目标主要是巡航状态的最大续航能力，另外MAV 还应满足城市环境下以准许的转弯半径和响应时 间飞行的任务要求[3,4]。 2.1 设计目标与困难
数。
表 2 参考翼型参数[1]
翼型 MH45 N0009 S5010 6063 S8025
类型 弯度/%
S翼型 1.64
对称
0
S翼型 2.21
近似对称 1.43
近似对称 0.49
t/c/% 9.85 9 9.83 7.05 8
Cd,0 0.017 0.011 0.016 0.01 0.01
Cm,c/d -0.006
准确地计算出作用在飞机上的气动力是设 计飞机的关键，对于设计MAV来说，这是一个挑 战，因为关于小展弦比机翼在低雷诺数飞行时的 试验数据几乎为零，而且在低雷诺数情况下，经 典的空气动力学也失去了其利用的价值，因为展 弦比低于2的机翼在低雷诺数飞行情况下存在严重 的复杂的三维流动，这为我们设计MAV设置了一 个巨大的障碍。那么如何取得设计所需的数据？ 单独采取试验或CFD的方法是既耗费时间又耗费 金钱，而且试验精度不高，纯CFD的结果又与实 际情况有出入。所以我们采取试验与CFD相结合 的方法。 2.2 设计方法简要说明
图5为设计方法的流程图。
空 气
机翼设计
动
力 螺旋桨设计
学
模 型
垂尾设计
操纵面设计
多 学 科
部件 选择
优 继航
化 模拟
设
计 动力学
分析
环 境 测
Simulink 仿真
试 原型机
测试
图 5 设计方法流程图
2.3 空气动力学模型
与气动力相关的子系统有机翼、垂尾、螺旋 桨和操纵面，构造一个在对称和非对称飞行条件 下都能满足气动力要求的模型是设计的第一 步 [1,5]。 2.3.1 外形参数选择
垂尾 垂尾数 展长 展弦比 位置
操纵面 类型 展长 展弦比 位置
2.3.2 机翼设计
机翼设计是飞机设计的重要组成部分，本文
分为3步进行，分别是翼型选择、气动力计算和稳
定性检验。
（1）翼型选择
第一步是翼型选择。在低雷诺数下，能满足
升阻力和力矩特性并适合飞翼使用的翼型只有S
翼型和对称或近似对称翼型，表2为参考翼型的参
摘 要：系统地介绍了微型飞行器的定义、类型、任务和国内外发展现状，提出了现在微型飞行器设计的技术 难点，即在气动力计算时，经典的空气动力学不再适用以及缺乏小展弦比机翼在低雷诺数下飞行的试验数据， 针对这一难点提出了一套系统的设计方案，分为3个部分，分别是气动力建模、多学科优化和仿真与试验。在 气动力建模中采用试验与数值计算相结合的设计方法，在基础试验数据的粗略估算后进行CFD计算达到准确设 计的效果。在多学科优化中重点对续航能力进行了优化。最后通过比较仿真的结果和原型机飞行试验的数据对 设计进行了验证和反馈。此套设计方法适用于大多数微型飞行器的设计。
图 1（a）是 T A C M A V 微 型 无 人 机 ， 体 长 5 3 cm，翼展53 cm，机体用碳纤维复合材料制造，其 柔性的尼龙机翼可绕着机体折叠，因而能将整个 微型无人机装进那不大的圆筒内，携带和使用都 方便。
图1（b）是“黄蜂”无人侦察机（wasp），专 用于近距空中侦察，体长不超过33 cm，重约200 g， 机翼内装有2节锂高分子电池，不仅为电推进系统 提供动力，而且还为机翼提供结构支持，腹内装 有固定焦距的彩色侧拍和正拍照相机，拍摄的照 片可以传回到地面的控制中心。
and Astronautics , Beijing 100191, China )
Abstract : The definition, classification and function of the Micro Air Vehicle (MAV) are introduced as well as its developing status in the world. The technical difficulty of MAV design is put forward, that is the classic aerodynamics is no longer applicable under a serious influence of low Reynolds numbers, and flight test data of low aspect ratio wing is lacked. According to that difficulty, a systematic design scheme is proposed that includes aerodynamic modeling, multi-disciplinary optimization and simulation and testing. Numerical calculation combined with experiment is used in aerodynamic modeling. Multi-disciplinary optimization is emphasized on the capacity of endurance, and finally, the design verification and feedback by comparing simulation results and prototype flight testing data. This design method applies to most MAV design.
0 -0.007 -0.02 -0.003
（2）气动力计算 第二步是气动力计算。计算对称受力情况下 定直平飞时的气动力（阻力、升力和俯仰力矩）， 采取的方法是从风洞试验数据中获取基础数据， 然后通过CFD精确计算。 这是设计中最复杂和不确定性最大的一步， 因为流过微型飞行器表面的分为两类流动区域 （见图6），中央区域的流场受到低雷诺数效应的 影响的螺旋桨滑流，两端翼梢区域则受到翼梢涡 作用。由于低雷诺数效应，绕翼型的低雷诺数流
第6期
飞机设计
14
动会出现层流分离、转捩和产生分离泡等至今研 究不是很清楚的复杂流动现象。所以要准确地估 计气动力，只有试验与计算结合才有可能得到正 确结果。
采取的步骤是先从试验中得到2D平板升阻力 系数和展弦比为1.5时的平板升阻力系数，然后考 虑翼梢涡的影响重新计算升阻力系数，最后根据 模型建立合适的网格进行计算流体力学（CFD）计 算。
关键词：微型飞行器；研究进展；总体设计
中图分类号：V221
文献标识码：A
Research Status and Conceptual Design of Micro Air Vehicle
SUN Yu , ZHANG Jie , LIU Hu , WU Zhe ( School of Aeronautic Science and Technology, Beijing University of Aeronautics
世界诸多国家如火如荼地进行着微型飞行器 的研究，在世界处于研究领先地位的是美国、法 国、日本等发达国家。 1.1 国外研究进展 1.1.1 美国
美国是研究微型飞行器最早的国家。早在 1996年，美国国防部就把微型飞行器列为21世纪 美国排级士兵的随身装备，而在1997年4月，美国 DARPA正式立项，制订了一个为期4年、耗资3 500 万美元的微型飞行器研究与验证计划，1998年4 月，DARPA与一些研究单位签订了研究合同，其 研究范围涉及飞行器及其主要子系统，如推进系 统、飞行控制/引导系统和传感器等相关技术的研 究。美国在微型飞行器的研究方面已取得了重大 进展，其技术水平目前处于世界领先地位[2] 。
第30卷 第6期 121010年 12月
飞机设计 邹 辉 等：A高IR超CR声A速FT湍D流ES高IG效N模拟算法
文章编号：1673-4599（2010）06-0011-06
Vol. 30 No. 6 Dec 第23001卷0
MAV微型飞行器研究进展与总体设计
孙 瑜，张 杰，刘 虎，武 哲
（北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京 100191）
图 3 日本（左）及以色列（右）的微型飞行器
1.1.4 以色列 以色列军方目前正在研发一种被称作“超
级大黄蜂”的远程遥控无人飞行器，它只有一只 黄蜂那么大，但威力却不可小觑。以军研制这种 微型无人机是为了防止黎巴嫩真主党、哈马斯等 发起的恐怖袭击。目前，该项目已经获得了以总 理奥尔默特的支持。国际军火商也投入了数百万 美元的联合研究经费，企图在事成后分一杯羹。 “小不点”竟能发火箭弹，“超级大黄蜂”个头 虽小，但“五脏俱全”。以色列情报部门可以用 它追踪军事目标并对可疑目标进行拍照，它甚至 可以发射导弹。 1.2 国内发展现状
设计首先应选择对气动力影响较大的外形参 数，如机翼的翼型、展弦比、垂尾的数量等。由 于各参数之间存在耦合，相互之间有不同程度的 影响，所以外形参数的选择需要综合循环考虑。 表1为可选取的外形参数的列表。
机翼 翼型 展长 展弦比 平面形状 翼尖形状
表 1 外形参数列表[1]
螺旋桨 叶型 直径 弦长分布 扭转分布 转速 位置
Key words : MAV ; developing status ; conceptual design
Fra Baidu bibliotek
微型飞行器（Micro Air Vehicle, MAV）又称纳 米飞行器或微纳米飞行器。微型飞行器定义为一 种尺寸为15 cm大小并能靠其自身能力飞行和完 成各种探测任务的飞行器[1]。微型飞行器是于20 世纪90年代发展起来，其应用技术基本上已超出
传统的飞机设计和空气动力技术的研究范畴，是 对传统航空技术的一种挑战，同时它的出现也开 拓了纳米技术和微机电系统技术在航空领域的应 用。微型飞行器的发展和应用，必将推动国防科 技工业的发展，并且具有广阔的民用前景。
收稿日期：2010-03-17；修订日期：2010-09-20
第6期
飞机设计
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1 MAV研究进展