飞行仿生讲义

12.7 厘米碟形天线+自动跟踪接收机+导航计算与显示计算 机;
监测飞行器相对地面控制站的方位、俯仰角、距离； 供控制人员对飞行器进行控制和选择拍摄对象。
NRL美国海军研究实验 室
Florida大学
固定翼微型飞行器，翼展13cm。
技术指标 翼展 重量
飞行速度 续航时间 有效载荷
超小型干扰机 15.24~20.32cm
使用人力的飞翔
麦克格雷迪制造 1979年六月自行车运 动员布莱恩.艾伦驾驶
穿越英吉利海峡
薄纱天翁（Gossamer Albatross）
飞机的发明人之一维尔伯·莱特
1903年，12月17日，在法国昂贝略平原，在法 国昂贝略平原这里进行了全法第一次飞机试飞
遠飛了852英呎，大約是300公尺，300公尺在當時來講已經是很遠了，飛行時間59秒。 這個記錄是當天飛行三次中最長的一次，最短的記錄根據文獻上的記載好像是13秒！
世界航空重要创始人之一 达.芬奇(1452-1519)
• 意大利画家达•芬奇长期对 鸟的飞行进行观察和研究， 并写出《论鸟的飞行》一书， 书中还画出多幅模仿鸟的飞 行器。
• 扑翼机的设计图
• 原始的直升飞机的设计草图
• 人类上天的 梦想最早是
靠热气球才 飞上天的！
法国生理学家马雷 （Etienne Jules Marey）
韦兰得的“羽毛飞行机”神话故事
• 第五世纪流传到今天 挪威神话：
• 韦兰德将做好的羽毛 飞行机交给他的兄弟 艾格尔，并鼓励其在 风中亲自试试，并嘱 咐他兄弟说：“起飞 时要逆风，而着陆时 要顺风”，他弟弟尽 了最大的努力也没有 保住他的命。
跳塔飞行家
• 中国历史中尝 试飞行的记录 是很少的，反 观欧洲在十五， 十六世纪，飞 行记载反而较 多。。。
未来机翼的仿生设计方向
飞行动物不需要螺旋桨 昆虫飞行的灵活性是任何飞机都做不到的 昆虫的翅膀柔软而单薄 鸟类飞行是极其节省“燃料”的
直升机的终极仿生目标：蜂鸟
蜂鸟
• 作业：
小实验：吹纸条
伯努力效应
丹尼尔·伯努力 1700 — 1782
迎角状态的鸟翼升力
平飞状态的鸟翼升力
机翼的仿生设计
机翼剖面示意图
机翼升力原理图
平飞时机翼升力示意图
迎角状态的机翼升力图
平飞状态的机翼升力图
1914年德国制造的LE3侦察机，机翼完全仿鸟翼 1914年法国制造的X1侦察机，拱型机翼
• 《动物的机器》 • 介绍了鸟的重量和
他的翅膀负荷 • 翅膀的面积是和其
体重的平方成正比 的
Etienne Jules Marey （1830-1904）
德国的物理学家亥姆霍兹 （Hermann Von Helmholtz）
Hermann Von Helmholtz （1821-1894）
“相似定律” 表示出了飞行动物身
技术指标 续航时间 飞行高度 侦察范围
翼展 起飞重量 飞机结构重 动力电机和电池重 摄像机和电池重 通信系统重
总功耗 动力系统功耗 飞控系统功耗 摄像机和通信系统功耗 摄像机镜头口径 摄像机两个方向视场角 摄像机角分辨率 摄像机拍摄速度 机载双向信息传输通信
系统 地面控制站
昼间型
昼夜型
1 小时
100 米
视频 “雪鸟”
视频：“雪鸟” “人造仿生飞鸟”
微型飞行器的仿生
国外研究情况
国外MAVs的种类
固定翼飞机
旋翼机
扑翼机
Black Widow 中的MEMS器件
麻省理工学院林肯实验室
“侦察鸟”鸭式微型飞行器
昼间摄型摄像机可从 100米处分辨出7厘米 大小的物体，
昼夜型摄像机可从 100米处分辨出13厘 米大小的物体。
• 唐朝工匠韩志和， 也曾制作了一架 能升高100尺， 飞行400多尺远 的飞行器
张恒
Johann Muler（1436-1476）
• 十五世纪，自动 机制造者米勒 （Johann Muler)
• “铁苍蝇” “机械鹰”
希腊的阿奇太（Archytas）
• 公元前4世纪 “机械鸽子”
• 依卡拉斯 （Icarus） 和得达拉斯 （Daedalus）
1896年4月9日，李林塔尔操纵他的滑翔机时恰遇 一股强劲的风，滑翔机失速栽向地面，滑翔机摔 毁了，李林塔尔也受了致命的重伤(脊椎断裂)， 第二天死亡。在弥留之际，对他弟弟古斯塔夫说： “总是要有人牺牲的。”
可调节水平尾翼
尾翼的仿生设计
V型尾翼
全动水平尾翼
边缘涡流
很多鸟类的 翅膀尾端都 会分叉的
体大的可能限度 证明人的体重太大了，
不能靠自己肌肉的 的力量来飞行
体重最大的飞行动物是什么呢？
英国人凯利（George Cayley）1773-1857
（George Cayley） 1773-1857
• 气体动力学创始人之一
• “飞机的上升力可以从 水平推进中分出来。换 句话说，一个固定的鸟 式机翼提供上升力，而 发动机和螺旋桨推动飞 机在空中前进”
发表在机械类期刊 Mechanic Magazine
1889年，李林塔尔写成了 著名的《鸟类飞行──航空 的基础》一书，论述了鸟 类飞行的特点。
李林塔尔进行了两千次以上的滑翔飞行试验，三次改进总体 布局，滑翔中又拍了许多照片，积累了大量数据，并以此编 制了《空气压力数据表》，给美、英、法等国的飞机制造者 们提供了宝贵的资料。
50~100g 32.18~64.36km/h
20min 15g
Notre Dame大学
加州理工学院“微蝙蝠”扑翼式微型飞行器
技术指标
翼展 重量 飞行时间 飞行距离 扑翼频率 动力
“微蝙蝠”
15.24cm 10.6g 5～8s 46m 20Hz
镍镉电池
机翼骨架采用钛合金制造， 薄膜采用聚对二甲苯制造
1936年法国制造的46C-1战斗机，翼形是鸟翼的变形结构 我国生产的运－12多用途运输机翼形为拱型结构
这是一架通用飞机从翼尖可以清楚地看到拱型机翼结构
飞机翼形的多种形式
风筝
鸟
翼
亚 音 速 飞 机
亚音速飞机
超
翼翼型型剖剖面面图图
音
速
飞
机
翼型剖面图
美国制造的SR-71高空高速侦察机，机翼呈上翼面略 带拱型的平板型机翼，飞行高度3万米，速度M=3
第三讲 飞行仿生
我国古代飞天神话
• 伟大诗人屈原在他的著作 《离骚》曾想象自己坐在飞 龙拉着的车里在空中飞行
《西游记》里的孙悟空
“嫦娥奔月”的故事
“会飞的木鸟”
墨子曾带领三百多弟子用了三百多弟子用了三年 时间制成一支“会飞木鸟”古书上叫做“竹 鵲” 或“木鸢”
• 东汉时期 ，张恒 制成了一架装有 “机关”的飞行 器，叫做“木雕”
美国研制的试验性飞机X-43A用超燃冲压发动机作动力， 于2004年11月16日在33500米高空中创造飞行速度达音速 9.8倍的速度纪录（11265千米/小时）翼形为平板型机翼。
尾翼的仿生设计
现代飞机的尾翼普遍采用
飞机尾翼发明者-----李林塔尔
从1889年第一个滑翔机折断起，如何在空中保持平衡 一直是飞机飞行中的难题
1939年9月14日 西科尔斯基
“VS300型”直升飞机
• 视频 人类飞行进化史
固定翼飞机的仿生设计与发展
• 机翼的仿生设计 • 尾翼的仿生设计 • 小翼的仿生设计
鸟类翅膀飞行的秘密 扑翼飞行 滑翔飞行
大家预测哪种情况下植物蒸发水分快： （1）大风 （2）光热 （3）Control （4）潮湿 同学断定不是大风就是光热。但究竟是哪个呢？
1000 米
7.4 厘米
20.5 厘米
10.5 克
91.5 克
2克
12.5 克
7克
61 克
1.4 克
17.9 克(红外)
0.11 克
0.1 克
970 毫瓦
8475 毫瓦
870 毫瓦
50 毫瓦
25 毫瓦 0.26 厘米
40 度
16 度
0.7 弧度
1.3 弧度
每两秒 1 幅
每秒 2 幅
0.7 厘米半波长天线+高集成发射机+高集成接收机
重量仅0.4克，钛合金骨架 厚度仅250微米；
GIT佐治亚理工学院
Vanderbilt大学
“Bug”微型机器昆虫
"微星"
• "微星"的设计重量是100克，总电功耗是15瓦。它的 机身重为7克，处理/存储电子组件重量6克，照相机/ 镜头总重4克。
未来的飞机
视频2 自然为师（1）并回答以下问题： 1 视频中提到为人类飞行做出重要贡献 的有哪些人？ 2 视频中讲到了哪些方面人类还需要 向哪些飞行动物学习？
飞行时空气 阻力会变得 很小
翼上加小翼 的飞机设计
• 视频：max737
德国柏林wk.baidu.com业大学研制的系列机翼： 从简单尾部的机翼到尾部分叉的机翼 最后变为带有环片的机翼
将在2030年实现的飞机模型可以使它的 机翼适合当时的飞行状况：在着陆时机 翼末端会分开，以减小边缘涡流
扑翼机的梦想
鸟类飞行器埃格