MAV微型飞行器研究进展与总体设计
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第３０卷第６期
飞机设计
Ｖ０１．３０Ｎｏ．６
２０１０年
１２月
ＡＩＲＣＲＡＦＴ ＤＥＳＩＧＮ
Ｄｅｃ
２０１０
■＿＿＿＿＿＿＿ｌＩＩ●＿●＿■●■●■■＿●■＿●＿＿＿■＿■●＿●●■■●■＿●■●■■●■＿＿＿＿＿■＿＿■●●●●●＿＿●＿＿■＿＿—■＿■■■●＿■●■■■■●■●＿＿＿●■●●■■■●＿■■■■●＿■●■＿■＿＿＿＿＿●■＿＿●■■■■＿＿■■一
表１外形参数列表‘１
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 数。
表２参考翼型参数Ⅲ
考虑翼梢涡影响的经验公式： Ｑｖｏｆ＝Ｋ。（ＡＲ）ｃｏｓａｓｉｎ ２０ｒ
，、 、４ ７
ｃｏ，。＝Ｋｖ（ＡＲ）ｓｉｎ３ａ 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。
图７计算模型网格划纠６１
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 “¨ＦＲ—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）。
图１美国微型飞行器 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 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
１埘 文章编号：１６７３－４５９９｛２０１０）０６—００１
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）
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。
万方数据
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至１］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
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
图３日本（左Ｊ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
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 鸟一０７”，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“云雀一０１”，展长１５
图１（ａ）是ＴＡＣＭＡＶ微型无人机，体长５３ 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。
（３）稳定性检验
第三步是稳定性检验，在以上试验和ＣＦＤ计
算得到的数据基础上，应用飞行力学的方法检验
横侧向稳定性。
２．３．３螺旋桨设计
螺旋桨设计最主要的目标是提高螺旋桨效
率，螺旋桨效率主要受到拉力系数、螺旋桨雷诺
数和前行比的影响。
螺旋桨效率： 卵岬＝／纯，Ｊ，尺ｏ）
（２）
，下
拉力系数：
ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｆｔｎｉｔｉｏｎ，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，
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＡＶ；ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ；ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ
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…。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
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．
算。
．
螺旋桨雷诺数：
Ｒ已。：—ＶＲ—ｐ ９
（４）
Ⅳ
前行比：
＿，：旦：舰
Ｄｎ
（５）
考虑拉力系数、螺旋桨雷诺数和前行比独立 影响的螺旋桨效率函数如图８所示（螺旋桨轴径等 于桨径的０．０５倍的情况下）。
从中选取合适的参数以达到螺旋桨效率最
大， 而通常情况下螺旋桨效率一般是在０．６９～０．８之 间。
图６微型飞行器表面流动区域Ⅲ
图５为设计方法的流程图。
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㈨１。 ２．３．１外形参数选择
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。
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
１２
１ ＭＡＶ研究进展
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】。
万方数据
１３
孙瑜等：ＭＡＶ微型飞行器研究进覆与总体设计
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．
图４国内微型毪行器
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ｐ＇４】。 ２．１设计目标与困难
（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
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
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７；修订日期：２０１０—０９—２０
万方数据
笫６期
飞机设计
飞机设计
Ｖ０１．３０Ｎｏ．６
２０１０年
１２月
ＡＩＲＣＲＡＦＴ ＤＥＳＩＧＮ
Ｄｅｃ
２０１０
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表１外形参数列表‘１
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 数。
表２参考翼型参数Ⅲ
考虑翼梢涡影响的经验公式： Ｑｖｏｆ＝Ｋ。（ＡＲ）ｃｏｓａｓｉｎ ２０ｒ
，、 、４ ７
ｃｏ，。＝Ｋｖ（ＡＲ）ｓｉｎ３ａ 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。
图７计算模型网格划纠６１
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 “¨ＦＲ—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）。
图１美国微型飞行器 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 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
１埘 文章编号：１６７３－４５９９｛２０１０）０６—００１
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）
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。
万方数据
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至１］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
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
图３日本（左Ｊ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
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 鸟一０７”，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“云雀一０１”，展长１５
图１（ａ）是ＴＡＣＭＡＶ微型无人机，体长５３ 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。
（３）稳定性检验
第三步是稳定性检验，在以上试验和ＣＦＤ计
算得到的数据基础上，应用飞行力学的方法检验
横侧向稳定性。
２．３．３螺旋桨设计
螺旋桨设计最主要的目标是提高螺旋桨效
率，螺旋桨效率主要受到拉力系数、螺旋桨雷诺
数和前行比的影响。
螺旋桨效率： 卵岬＝／纯，Ｊ，尺ｏ）
（２）
，下
拉力系数：
ａｎｄ Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｆｔｎｉｔｉｏｎ，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，
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＭＡＶ；ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｓｔａｔｕｓ；ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｄｅｓｉｇｎ
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…。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
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．
算。
．
螺旋桨雷诺数：
Ｒ已。：—ＶＲ—ｐ ９
（４）
Ⅳ
前行比：
＿，：旦：舰
Ｄｎ
（５）
考虑拉力系数、螺旋桨雷诺数和前行比独立 影响的螺旋桨效率函数如图８所示（螺旋桨轴径等 于桨径的０．０５倍的情况下）。
从中选取合适的参数以达到螺旋桨效率最
大， 而通常情况下螺旋桨效率一般是在０．６９～０．８之 间。
图６微型飞行器表面流动区域Ⅲ
图５为设计方法的流程图。
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㈨１。 ２．３．１外形参数选择
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。
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
１２
１ ＭＡＶ研究进展
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】。
万方数据
１３
孙瑜等：ＭＡＶ微型飞行器研究进覆与总体设计
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．
图４国内微型毪行器
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ｐ＇４】。 ２．１设计目标与困难
（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
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
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７；修订日期：２０１０—０９—２０
万方数据
笫６期
飞机设计