载人扑翼飞行器研制的可行性报告

载人扑翼飞行器研制的可行性报告
摘要：北京二环到五环频频全线拥堵，上海高峰时段驾车出行举步维艰，深圳交通遭遇黑色周一，道路堵塞已成常态，十五个大城市每日因拥堵蒙受损失十几亿元，拥堵已成为各大城市的流行病，2010年中秋前夜的一场秋雨，北京上海各地出现创纪录大堵车，北京一地160条道路堵塞，济南，成都，长沙也显拥堵现象，交通拥堵已向二三线城市蔓延。

随着中国经济社会的高速发展，人民生活水平的快速提高，机动车保有量以及增长速度屡创新高。

据调查，现在每增加100万辆车，北京需要增加的公路里程数至少应该达到2800公里，这一数字相当于三环以内已经有的公路网络的容量，因此，很难在道路上面再去拓展，再去增加。

各种治堵方案层出不穷，但至目前为止，作用有限，效果不尽人意。

故而，对于人们日常出行，如果思考角度从地面二维空间向低空三维空间转变，鉴于三维空间的无限性，通过一种合适的方式和手段，必能解决现有的各种出项困局。

扑翼飞行器是人类最古老的梦想之一，就是能够肩插双翅像鸟一样在天空自由飞翔。

与传统的固定翼和旋翼飞行器相比，扑翼飞行器的主要特点是，将升力、悬停、推进、控制功能全面集成于扑翼系统中，可以用很少的能量进行远距离飞行，同时具有高效率、高机动性、低噪音、无须专用起飞着陆场地等。

载人的大致上可以分为两类：一类是手动的，就是动力来源于手臂扑扇；一类是引擎作为动力来源的。

在1894年左右，一个叫做奥多Otto Lilienthal的家伙在德国变得非常出名，主要是他几次公开的滑翔飞行，而且都成功了。

同时这位老兄也对扑翼飞机进行了数次的实验。

最后他还建造了这样的一架飞行器，可惜这位老兄走的太早，这项工程就没有完成。

最近的（意思就是中间的我就不搞文字工作了）在2010.8.2号，多伦多航空学院的一个哥们叫做todd reichert，试飞了一架人力的扑翼飞机，这飞机有个好名字叫做雪鸟。

这架翼展达32M重约92.59磅的大家伙使用碳纤维、玻萨轻木、泡沫制作而成的；这个飞机可以飞15.91英里每小时。

2，空气动力学原理
如果你想深入的了解扑翼飞机，编者的建议是去英文网页搜索，那里有很多注释。

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, 2001
3 “破茧”柔性翼两栖飞行器
2008年10月13日11:59 新浪航空
设计引言
“破茧”柔性翼两栖飞行器是一款仿生折叠翼的小型扑翼机，适用于低空的中低速飞行，可用于的休闲观光，环境监测，航拍、航模等不同的领域。

扑翼飞行器是人类最古老的梦想之一，就是能够肩插双翅像鸟一样在天空自由飞翔。

与传统的固定翼和旋翼飞行器相比，扑翼飞行器的主要特点是，将升力、悬停、推进、控制功能全面集成于扑翼系统中，可以用很少的能量进行远距离飞行，同时具有高效率、高机动性、低噪音、无须专用起飞着陆场地等。

同时，科学家对众多的扑翼飞行的生物研究中发现，蝙蝠在飞行过程中翼的扇动与翼的柔韧性及弹性配合得天衣无缝，堪称是世界上最离奇、最完美的运动。

蝙蝠在飞行过程中身体旋转180度所需距离只有其翼展长度的一半。

同时，与其它动物相比，蝙蝠翼展面积之大还有效保证了它在飞行过程中只需消耗极少的能量就能够产生理想的上升力。

尽管其它鸟类和昆虫在飞行过程中都会有翅膀的翻转和折叠现象，但与之相比蝙蝠在飞行过程中翼的活动控制更为自如。

“破茧”柔性翼两栖飞行器正是基于蝙蝠飞行原理的小型两栖扑翼机。

设计创新点：
1.仿生造型：仿生翼龙和蝙蝠的翅膀构造，且折叠机翼瞬间打开时如同飞蛾破茧而出，一飞冲天，这也是名字的由来。

流线型的造型有较好的空气动力学性能，具有速度感。

2.轻质材料：弹性的钛合金骨架蒙以太阳能聚合物透明薄膜构成的机翼，如同昆虫的翅膀一般轻盈柔韧。

随着科学界对复合结构、轻盈智能型材料、能量生产和储存等领域的研究，机翼材料可以由超薄太阳能电池组成的“皮肤”代替。

3.节能环保：扑翼飞行，消耗能量少，机动性高；使用氢氧燃料电池，绿色能源，减少对环境的污染。

4.折叠机翼：充分地折叠机翼，减少了陆地行驶时的阻力，节约了更加便捷，更好地实现两栖。

5.垂直/短距起降：无须专用起降场地，在起飞着陆场地有限的情况下可扑翼垂直起降。

4
从生物（例如飞行的昆虫或鸟类）飞行上得到灵感，研究者正在试图设计一种扑翼小型飞行器——微型空中车辆（MAVs）[1]，以实现一些新的飞行性能。

发展这种飞行器最重要的一步是理解鸟类和昆虫扑翼的空气动力学特性。

在这则新闻中，我们给出了蜂雀扑翼的空气动力学实验和数值模拟，数值模拟是由H.T.Oh和H.C.Choi[2]用ADINA FSI完成的。

针对甲虫飞行也做过类似的分析[3]。

图1和下边的动画显示的是研究用的实验装置。

扑翼模型是用压克力材料做的，其大小接近蜂雀翅膀的尺寸。

实验过程中扑翼模型经历平移和旋转，类似蜂雀翅膀在飞行中的状态。

扑翼所受到的提升和拖曳力是靠力传感器测量的。

由于测量空气的作用力比较困难，实验是在水中进行的。

图1实验
为了研究扑翼运动过程中，结构和周围的流场情况，用ADINA FSI建立了扑翼的二维模型和周围的流场模型。

流动认为是不可压缩的。

因为扑翼在流场中有大幅度的运动，所以要
用到ADINA FSI中的自适应动网格功能。

开头的动画显示的是扑翼运动过程中流场速度和压力云图。

图2显示的是数值模拟和实验测量得到的提升力和拖曳力的对比。

数值模拟的结果和实验测量结果非常吻合。

提升力
拖曳力
图2 二维FSI模型和三维实验结果提升和拖曳系数的对比图3显示的是扑翼运动的不同阶段，周围流场的流动情况。

可以看到扑翼运动和旋转过程中漩涡形态的变化。

图3 扑翼周围流场的流动
下边的链接给出了扑翼运动过程中速度场分布和计算网格的变化情况。

Mesh（>4MB）
Velocity（>2MB）
ADINA Primer的第49题给出了ADINA-FSI中自适应动网格的使用方法。

这个例子演示了ADINA FSI在求解流体和结构强耦合问题时的强大的功能。

更多的信息可以参考流固耦合功能。

参考文献
1. Wikipedia article on MAV. For a device in action, see this Youtube video.
2. Private Communication
3. T.Q. Le, D. Byun, Y.H. Yoo, J.H. Ko and H.C. Park, Experimental and Numerical Investigation of Beetle Flight, Proc. 2008 IEEE Int. Conf. on Robotics and Biomimetics, 21-26 Feb. 2009, pp. 234-239
关键词
扑翼，微型空中车辆，MAV，流固耦合，FSI，空气动力学，生物，机器人，自适应动网格
Courtesy of H.T. Oh (Korea University) and H.C. Choi (KIST)
52、大型和中型载人扑翼飞行：由于具有高效率、高机动性、低噪音、无须专用起飞着陆场地等特点，可研制的产品有。

A：背负式个人扑翼飞行器：
民用：航空体育运动。

取代滑翔伞和动力伞的大部分用途。

军用：使得单兵具有蝙蝠侠能力，克服了动力伞的许多缺点。

该机型综合了机降与伞降的优点，也许空军将会出现一个全新的兵种。

B：水上扑翼飞行汽车：
平时机翼像鸟一样收缩折叠在车顶，是水陆两用汽车。

飞行时无须专用的起飞着陆场地，在水面或地面可伸开双翼完成短距/垂直起降，是将汽车、游艇、私人飞机融为一体且具有革命性的现代化交通工具。

民用：是一种低成本、低耗费的陆海空通用交通工具，可由汽车生产线批量生产，使用普通汽车燃料，可停放于普通汽车的车位中，便于普及并提高民众的生活素质。

军用：因具有高机动性和低噪音可迅速从隐蔽场所起飞攻击武装直升机、坦克等等。

并能取代直升机将特种部队投放到敌后。

该机型已获国家发明专利。

3、人力扑翼飞行器：
目前成功的人力飞行器是靠螺旋桨推进的人力固定翼飞行器。

旋翼飞行器的效率只有固定翼飞行器的1/4，因此人力旋翼飞行器无成功的先例。

扑翼飞行器的效率是固定翼飞行器的5倍，设计制造和控制合理、靠较长距离滑跑起降飞行的人力扑翼飞行器将有很大的希望。

将可能像自行车、划艇一样成为奥运会的器械运动项目。

本次展出的为大鹏二号和大鹏三号扑翼飞行器实验平台，历经十四年的业余时间构思准备，由计算机参数化三维设计及模拟分析，其主要零部件由数控加工中心制造。

大鹏二号首飞于2004年5月7日在鹏城深圳市南山区荔香公园进行。

扑翼飞行器实验平台本体的设计制造由张斗三、高永宁、程纪合作完成。

扑翼飞行器实验平台的自动控制系统及空气动力学研究与哈尔滨工业大学合作完成。

已经在第六届中国国际高新技术成果交易会的大学城馆中展出。

大鹏二号无人扑翼飞行器（有尾翼机型）
大鹏二号无人有尾翼机型扑翼飞行器是水上扑翼飞行汽车（1：10）的第二版本实验平台，1994年五一期间在深圳研制(客厅中组装)，首飞于2004年5月7日在鹏城深圳市南山区荔香公园进行。

该机利用业余时间经计算机参数化三维设计及模拟分析，其主要零部件由数控加工中心制造，其余大部分零部件由手工制成。

已经在第六届中国国际高新技术成果交易会的大学城馆中展出。

大鹏二号的方向控制及升降控制由全动式尾翼完成，具有较高的机动性。

一对主翼为改进的NACA6409凹凸翼型，尾翼为NACA0009对称双凸翼型。

翼展120CM，主翼的扑动包含上下和前后运动。

动力源为高速直流电机和锂离子电池。

材料为碳纤维、玻璃钢、硬质铝
合金、高碳钢、不锈钢、竹、蒙布、无线电控制电路等等。

大鹏三号无人扑翼飞行器（飞翼/无尾翼机型）
大鹏三号无人无尾翼机型扑翼飞行器是水上扑翼飞行汽车（1：10）的第三版本实验平台，无尾翼扑翼飞行器（飞翼）具有短机身、重量轻、效率高等优点。

自然界中大雁、天鹅、信天翁等善于远距离飞行的大型鸟类是无尾翼（尾翼基本退化）。

1994年十一期间在深圳研制(客厅中组装)。

该机利用业余时间经计算机参数化三维设计及模拟分析，其主要零部件由数控加工中心制造，其余大部分零部件由手工制成。

大鹏二号的方向控制及升降控制由全动式主翼完成，一对主翼的扭转角度可同时或分别控制。

具有较高的机动性。

一对主翼为改进的NACA6409凹凸翼型，平时为凹凸翼型，遇到空气动力是自动变为S型，可提高无尾翼飞行器的安定性。

翼展130CM，主翼向下扑动时翼面完全展开以增大正升力，主翼向上台翼时翼面外段自动收缩以减小负升力，使整机的效率提高。

动力源为高速直流电机和锂离子电池。

材料为碳纤维、玻璃钢、硬质铝合金、高碳钢、不锈钢、竹、蒙布、无线电控制电路等等。

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