微型扑翼飞行器的现状及关键技术

无人机
本文2007-08-02收到,
作者分别系海军航空工程学院讲师、副教授和助教
图1 微型蝙蝠飞行器
微型扑翼飞行器的现状及关键技术
郭卫刚 贾忠湖 康小伟
摘 要 微型扑翼飞行器是高新技术的产物,是当前国内外研究的热点。

简述了微型扑翼飞行器目前的发展现状,提出发展微型扑翼飞行器的几项关键技术,并对微型扑翼飞行器的发展趋势进行了展望。

关键词 扑翼机 微型飞行器 微机电系统(ME M S)
MAV(M icro A ir Veh icle微型飞行器)由于具有特殊的用途(如侦察、电子干扰、搜寻、救援、生化探测等)而倍受关注。

根据美国国防高级研究计划局(DARPA)提出的要求,微型飞行器的基本技术指标是:飞行器各个方向的最大尺寸不超过150mm,续航时间20m i n~60m in,航程达到10km以上,飞行速度22k m/h~45km/h,可以携带有效载荷,完成一定的任务[1]。

按飞行原理的不同,MAV分为固定翼、旋翼、扑翼三大类型。

固定翼布局有许多问题亟待解决,如升阻比相对较小,在低雷诺数状态下机翼不能提供足够的升力,遭遇突风难以保持稳定等。

旋翼布局尽管能够垂直起降和悬停,但其飞行速度低,质量大,仅适宜于在比较狭小的空间或复杂地形环境中使用。

而综观生物的飞行,无一例外都是采用扑翼飞行方式。

同常规布局相比,扑翼布局仅用一套扑翼系统就可代替螺旋桨或喷气发动机提供推力;扑翼可以使MAV像昆虫和鸟类那样低速飞行、盘旋、急转弯甚至倒飞;扑翼下面可以产生一种涡流,这是扑翼飞行器飞行的必要助推力,扑翼飞行器可以通过自身机翼扇动产生的上下大气压差来飞行。

微型扑翼飞行器具有一般航空飞行器无法比拟的机动和气动性能,与无人侦察机相比,具有以下优势:可以低速飞行,可以随意改变方向,可以悬停,还可以向后倒退。

1 研究现状
在DARPA的资助下,微型扑翼飞行器的研究得到了很大进展,主要有加州理工学院与加利福尼亚洛杉矶大学共同研制的微型蝙蝠(M icrobat[2]),斯坦福研究中心和多伦多大学共同研制的引导者(M en-tor),乔治亚理工研究院及其协作者研制的昆虫机(Ento m opter)。

1.1 微型蝙蝠
微型蝙蝠是最早的电动扑翼飞行器,其机翼是采用微电机系统(ME MS)技术加工制作而成的。

通过质量轻、摩擦低的传动机构将微电机的转动变为机翼的扑动。

加州理工学院在DARPA的倡议下依据仿生昆
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图2
引导者飞行器
图3 昆虫机飞行器虫的原理研制了第一架原型机,并于1998年10月进行了首飞,飞行时间为9s 。

经对微型机电系统(M E M S)不断的改进[3]
,加州理工学院已经制造出钛合金骨架蒙以聚合物薄膜构成的机翼,同时还有包括电池、减速器和扑动传动机构在内的轻型动力传输系统。

微型蝙蝠改型机(见图1)采用锂离子电池为动力,总质量11.5g ,最大尺寸20.32c m,由无线电遥控方向舵、升降舵和推力飞行。

最大续航时间为377s 。

1.2 引导者
受昆虫和鸟类飞行启发,多伦多大学的德劳瑞教授选择蜂鸟作为模型,研发能空中盘旋并从盘旋转换到水平飞行的扑翼飞行器。

在美国斯坦福研究中心(SRI)开发的数学模型的帮助下,研究小组模仿昆虫的振动与推进机制,利用电致伸缩聚合体人造肌肉(E lectrostricti v e Poly m er Actuated M uscle ,EP -AM )作动力,开发了仿蜻蜓飞行姿态的引导者扑翼飞机,见图2。

2002年2月引导者试飞成功,成为世界上首架可在空中盘旋的扑翼飞机,并创下了在空中盘旋10m i n 的世界纪录。

它有4片机翼,利用垂直尾翼保持平衡,质量50g 。

研究人员希望最终能把它的尺寸压缩到蜂鸟般大小,那时它将成为未来的微型间谍。

1.3 昆虫机
研究表明,当机翼是自主地(自然而然或非受控的)和匀称地(恒频和等幅)扑动,其上下挥动都产生升力。

这种升力有可能实现昆虫机悬停飞行,见图3。

乔治亚理工研究院(GTRI)与英国剑桥大学和ETS 实验室正在合作研制昆虫机,这种昆虫机使用基于往复式化学肌肉(Reciprocating Che m ica lM uscle ,RC M )的动力装置。

这是一种再生装置,它不通过燃烧反应就可将化学能转化为动能。

这种方法的主要优点是结构紧凑,也具有很高的能量释放率。

该昆虫机质量为50g ,能够装载10g 有效载荷。

该飞行器是利用化学能源的驱动力来拍打机翼并供给机载系统功率。

研究者期望它能在未来的火星探测中发挥重要作用。

2 关键技术
微型扑翼飞行器的研究虽然已经取得了相当大的技术成果,并积累了一定的经验,但仍然处于试验阶段,其发展还存在许多技术难题。

2.1 低雷诺数下的空气动力学
人们不可能把一架波音747飞机按比例缩小到150mm 长,还指望它能够飞起来。

由于尺寸小,速度低,微型扑翼飞行器要比普通飞机在更低的雷诺数下飞行,这时空气的粘滞力很大,其影响无法忽略。

与大飞机相比,微型飞行器所受的阻力更大,就像小昆虫在水中游泳。

目前,低雷诺数下的空气动力学还没有具体的理论和经验公式可以遵循。

因此,必须发展新的理论和试验技术。

2.2 微型动力装置
微型扑翼飞行器的动力设备既要能装在微型飞行器内,又要能储备足够的能量,除维持飞行器的飞行外,还要能对机载设备提供能源。

因此,需要对高能效的电源技术进行研究,以保证能源供给。

微型扑翼飞行器的动力可以有很多种,如内燃发动机、燃料电池、电动机及太阳能等,其中内燃发动机具有良好的前景。

但微型内燃发动机的热效率只有5%左右,而且内燃发动机还存在噪音大及可靠性差等问题。

发动机使用高能电动装置也是很有前途的。

微
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型扑翼飞行器的电动机可以利用电化学电池、燃料电池、微型涡轮发电机、热光电发电机、太阳能电池或电子束能量系统作为能源。

此外,往复化学肌肉、电致伸缩人造肌肉、弹性动力等新技术目前正在研究中。

2.3 飞行控制与通信
首先要有一个飞行控制系统来稳定微型扑翼飞行器,至少应增加其受外部自然条件影响时的稳定性。

这样在面临湍流或突发阵风时可以保持其航线,并可执行控制人员的机动命令。

目前较好的控制方式是在微型扑翼飞行器的表面分布微气囊和微型智能自适应机构,通过微流动控制实现对微型扑翼飞行器的飞行控制。

微型扑翼飞行器需要保持与控制人员的通信联系。

由于体积质量的限制,目前只能采用微波通信方式。

尽管微波可以传播大量的数据,足够进行实况电视转播,但它却无法穿透墙壁,因而只能在视距内使用。

当飞机飞出视线或视线被挡住时,就需要一个空中的通信中继站。

为使微型扑翼飞行器自主飞行,可以利用地图导航,也可利用全球定位系统(GPS)来确定它的位置。

GPS可以大大提高微型扑翼飞行器的导航能力,但目前它在功率、天线尺寸、质量及处理能力等方面均存在不少问题,需要加以解决。

2.4 侦察传感器的微型化
微型扑翼飞行器还需要携带一些侦察传感器,如电视摄像机、红外及生化探测器等。

现在正在研制1g重的CCD摄像机,它可在100m高的空中以足够的分辨率探测出人员及车辆。

虽然在这方面取得了不少的成绩,但是离实用化还有一定距离。

3 发展趋势
3.1 仿生扑翼动力学理论逐步走向成熟
受低雷诺数的影响,传统空气动力学理论无法解释扑翼的升力问题[4]。

今后,在气动研究人员和昆虫生物学家共同努力下,随着非定常空气动力学理论和低雷诺数空气动力学研究的深入,仿生扑翼动力学理论将取得重大突破,从而使微型扑翼飞行器的工程化和实用化成为可能。

3.2 微型扑翼飞行器进一步微型化
随着ME M S技术的发展,微型扑翼飞行器机载设备的其它部件也将进一步微型化,如作动器、摄像机等。

由于飞行器尺寸小,在空中飞行时,不仅肉眼很难发现,就是雷达探测器也很难探测到,即使被发现也很可能被认为是一只普通的小鸟而不会引起注意。

未来飞行器的尺寸将会进一步缩小,会变成像苍蝇那么大小,即使飞入房间,或停在墙上也不会被发现。

3.3 飞行性能显著改善,并将能自主飞行
微型扑翼飞行器的研究涉及到空气动力、机械、电子、材料、能源、控制、信息等学科,这些学科的不断发展将解决目前微型扑翼飞行器设计中的难点,使其能像昆虫或鸟类一样利用大气中的上升气流翱翔,实现自主飞行。

未来的战场上将会出现成千上万的武装微型扑翼飞行器,用来执行侦察、跟踪、监视、攻击等多种任务,这将是一种全新的战场形态。

4 结束语
微型扑翼飞行器技术是一个多学科交叉的高新技术领域,其研究在一定程度上反映一个国家的科技水平。

微型扑翼飞行器的研制不仅能够推动新技术和相关领域的发展,而且对国防建设也有重大意义,是我国迫切需要开展的研究项目。

参考文献
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