撲翼飛行器國內(nèi)外研究狀況

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2022年9月20日 13:24

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作者：劉錦波，特立書院

背景知識

撲翼飛行器國內(nèi)外研究狀況的圖2

撲翼飛行器背景介紹

撲翼飛行器，是指像鳥—樣通過機翼主動運動產(chǎn)生升力和前行力的飛行器，又稱振翼機。人們的飛天夢想就是從模仿鳥類的撲翼機開始的。撲翼機以它無需跑道、機械效率高等優(yōu)點吸引了人們的注意，但由于目前對撲翼空氣動力學(xué)研究不足、材料和結(jié)構(gòu)研究較少等，發(fā)展尚不成熟。但正因為不夠成熟，出現(xiàn)了政府、民間、專業(yè)、業(yè)余呈百家爭鳴的局面。只要完成對幾大難點的破解工作，撲翼飛行器的上天便指日可待了。

撲翼飛行器早期歷史研究

人類對撲翼飛行器最早的創(chuàng)意可以追溯到古希臘工匠代達羅斯和他的兒子伊卡洛斯，而最早文字記載的撲翼飛行器出自《漢書·王莽傳》。而最早符合現(xiàn)代工程學(xué)的撲翼飛行器設(shè)計圖的出現(xiàn)則直到文藝復(fù)興時期，由意大利畫家達·芬奇模仿鳥類飛行而繪制的。1874年，法國科學(xué)家馬雷以連續(xù)拍照的方式記錄下了鳥類在撲翼時的復(fù)雜動作，以當時的技術(shù)水平是不可能完成的。

1878年倫敦博覽會上，兩架撲翼機首次獲得展示。當時考夫曼設(shè)計的帶有蒸汽機的撲翼機方案引起了人們的極大興趣；英國人哈爾格萊夫制成了一架帶有發(fā)動機的撲翼機實用模型；德國人李林塔爾研制的撲翼機上裝了一臺小型發(fā)動機，為人力提供輔助力量；他們的理論和實踐成為撲翼機發(fā)展史上重要的里程碑。

早期人類對撲翼機的探索可謂不遺余力，但由于空氣動力學(xué)、控制裝置的研究尚不成熟，制作撲翼機的材料也比較單一，撲翼機的研究進展并不順利。隨著現(xiàn)代電子計算機、新型復(fù)合材料、控制技術(shù)等高科技領(lǐng)域的迅速發(fā)展，研制撲翼機也有了新的動力。

撲翼飛行器國外研究成果

進入21世紀，微型撲翼飛行器開始興起。美國國防高級研究所（DARPA）十分重視這一領(lǐng)域，曾在1992年的未來軍事技術(shù)研討會上首次提出微型飛行器MAV(Micro?Air?Vehicle)的概念，其量級與小鳥相似：總重10-100g，有效載荷20g以上，翼展和長度小于152毫米，續(xù)航時間20-60分鐘，飛行速度30-60km/h，具有實時成像、導(dǎo)航和通信的能力。此外還要求其造價低廉、便于攜帶、操作簡單、偽裝性能好、更重要的是要能完成一定的任務(wù)。

MAV在軍用和民用上都有廣泛的應(yīng)用前景，所以各國紛紛把微型飛行器作為研究的熱點。而在特征尺寸與鳥或昆蟲的領(lǐng)域內(nèi)，撲翼飛行器是要優(yōu)于固定翼和旋翼飛行器的：

（1） 與固定翼和旋翼飛行器相比,撲翼飛行器的主要特點是將舉升、懸停和推進功能集成于一個撲翼系統(tǒng),依靠撲翼運動方式的改變可以快速有效地改變飛行器的姿態(tài),具有較強的機動性與靈活性。

（2） 撲翼飛行器的撲翼可以在水平位置鎖定,在高空進行翱翔以利用勢能,故比起直升機螺旋槳必須不停旋轉(zhuǎn)來說可以節(jié)省能量。同時撲翼產(chǎn)生推力的效率高,可用很小的能量進行長距離飛行,更適于在長時間無能源補充及遠距離條件下執(zhí)行任務(wù)。

正是由于撲翼機在微型尺度上的優(yōu)勢，國外也開始對撲翼機重視起來，如佐治亞大學(xué)、加州理工學(xué)院、日本的東京大學(xué)等都先后進行自己的研究。

佐治亞理工學(xué)院研制了一種仿昆蟲微型撲翼飛行器“Entomopter”,其機翼與蝴蝶翅膀類似，有特殊的結(jié)構(gòu)和材料制成，以往復(fù)式化學(xué)肌肉（Reciprocating Chemical Muscle,RCM）驅(qū)動。RCM由該學(xué)院的羅伯特·邁克爾遜發(fā)明，可以直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械運動（即無需通過燃燒反應(yīng)），且能量轉(zhuǎn)換效率較高。“Entomopter”利用化學(xué)能源的驅(qū)動力來拍打機翼并供給機載系統(tǒng)功率。化學(xué)反應(yīng)的廢氣能用于滾轉(zhuǎn)控制差動增升，潤滑運動零件以及產(chǎn)生高能發(fā)射進行測距支持、高度測量和障礙回避。“Entomopter”重約50g，載重約10g，功率為1-2W，有兩對前后串聯(lián)的撲翼，既可以飛行，也能在地面上移動。

1998年10月，Aerovironment公司，UCLA與加州理工學(xué)院聯(lián)合研究了一種MAV“Microbat”，由加州理工學(xué)院戴聿昌(Yu-Chong?Tai)教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組主導(dǎo)研究工作。它的翼展約為15cm(6英寸)，撲翼的頻率約每秒20次，重7.5g。首架原型機僅能持續(xù)飛行9秒，而2001年底已經(jīng)提高到6分17秒。對非定常空氣動力學(xué)特性研究做出了卓越貢獻。這也是至今為止文獻公開報道的、有技術(shù)細節(jié)的、可以持續(xù)飛行的撲翼型MAV。

東京大學(xué)研究了一種在交變磁場中移動的撲翼飛行器，翅膀由聚酰亞胺和鎳制成。該飛行器進入交變磁場后，翅膀上的鎳會帶動翅膀上下?lián)鋭印Ｔ擄w行器只有幾毫米大,首次將微機電系統(tǒng)（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）與昆蟲飛行原理結(jié)合到一起，為MEMS在微型飛行器上的應(yīng)用提供了經(jīng)驗。

在微型撲翼飛行器MAV高速發(fā)展的同時，傳統(tǒng)的載人撲翼飛行器也有所發(fā)展。加拿大教授德拉里爾教授于1996年開始研究撲翼機，并在2001年成功制成了無人駕駛撲翼機，于次年完成了載人撲翼機的研制，但性能很差，只能跳幾次。直到2006年7月8日，完成了首次有人駕駛撲翼機的離地并維持飛行。這架撲翼機空重約760磅，最大起飛重量350千克，在達到大約80km/h的速度時，撲翼頻率為1赫茲，在距離地面1米左右的高度上平飛了10秒，總飛行距離330米，留空時間14秒。雖然該試駕機在該次實驗中最終因左翼觸地，機頭著地并旋轉(zhuǎn)而未圓滿完成飛行任務(wù)，但仍為撲翼機技術(shù)上的一大進步。

撲翼飛行器國內(nèi)研究成果

國內(nèi)對于撲翼飛行器的研究起步較晚、成果較少，但國內(nèi)的撲翼機的研究制作發(fā)展勢頭很好，目前已有多家高等院校和科研機構(gòu)開展了對撲翼機的研究工作。

清華大學(xué)的于婷、王文淵將實際的生物模型簡化，得到了撲翼模型，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)造了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方案。該模型是研究撲翼機結(jié)構(gòu)的標準。雖然方案尚不完善，還不能直接解決復(fù)雜的實際問題，但為后續(xù)的研究打下了基礎(chǔ)。

南京航天航空大學(xué)在2004年研制出了國內(nèi)第一架能在空中懸浮飛行的撲翼飛行器。2013年，南京航天航空大學(xué)的黃鳴陽成功做出了國內(nèi)首架仿生海鷗撲翼飛行器，也是我國大型仿生飛行器領(lǐng)域中少有的成功實踐。

東南大學(xué)的于冰、王姝歆等學(xué)者已就仿生撲翼飛行機構(gòu)和機理分析，控制方案，仿生翅運動系統(tǒng)和撲翼氣動特性進行了研究。并與揚州大學(xué)建立了聯(lián)合實驗測試平臺進行共同攻關(guān)和探討，并取得初步成效。

除此之外，西北工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等也在研究微型撲翼飛行器。目前已經(jīng)完成了翼展50-60mm的電驅(qū)動撲翼飛行器的制作，并通過了低速風(fēng)洞試驗。但是，無論是國內(nèi)還是國外，當下的撲翼飛行器基本還處于實驗研究階段，不能完成復(fù)雜的實際任務(wù)，沒有到達實用階段

國內(nèi)目前對微型撲翼飛行器的攻關(guān)主要集中在以下幾個重點領(lǐng)域：空氣動力學(xué)基礎(chǔ)（尤其是非定常空氣動力學(xué)）、飛行動力和能源問題、翼型和材料、通信和控制系統(tǒng)。只有在以上幾個領(lǐng)域中取得突破，我們才能發(fā)揮撲翼機在軍事和民用上的用途，使之真正成為一種實用的飛行器。

值得一提的是，雖然目前在全世界范圍內(nèi)，撲翼飛行器的理論研究還處于比較低級的階段，但這并不意味著撲翼飛行器只在實驗室中才能見到。相反，作為兒童玩具出現(xiàn)的撲翼機十分普遍，甚至在普通商店中即可購買到。也就是說，雖然撲翼機在復(fù)雜的軍事或高級民用方面尚顯稚嫩，但已經(jīng)可以滿足普通的娛樂需要，一旦撲翼機的某項關(guān)建技術(shù)被攻克，便可以迅速地將其運用到實際生產(chǎn)上。從這一點來看，撲翼飛行器的前景可謂十分光明。

未來?發(fā)展方向

撲翼飛行器未來發(fā)展方向

撲翼機的發(fā)展趨勢與其具體用途是分不開的，而撲翼機最有價值的領(lǐng)域在軍用和民用上的體現(xiàn)分別是情報活動和日常出行。

微型撲翼機成功研發(fā)完成后，可以給其加裝攝像機和竊聽器，利用其體積小，不易被發(fā)現(xiàn)的優(yōu)點潛入敵國進行情報的獲取。普通的固定翼或旋翼飛行器在飛行時會造成較大的聲音，且耗油量大，而撲翼機飛行時則更加隱蔽，不易引起敵方察覺，且偵查時間更為持久。

撲翼機還有一個顯著的用途——模仿鳥類直接對敵方發(fā)起打擊。這種打擊分為兩種：（1）在撲翼機上通過改變外形、噴涂隱身材料達到對敵方雷達隱形的效果，進而“假裝”鳥類混入敵境，然后對敵方關(guān)建設(shè)施進行打擊。（2）眾所周知，現(xiàn)代的噴氣式飛機其發(fā)動機極為脆弱，在起飛過程中，即使是一只鳥與飛機相撞也會導(dǎo)致飛機墜毀，稱為“鳥擊”。我們可以將一批撲翼機埋伏在對面機場附近，在敵機起飛降落的時候突然襲擊，直接撞向其發(fā)動機，以達到損毀效果。更不必說微型飛行器MAV在情報竊取、暗殺、關(guān)建設(shè)備破壞等領(lǐng)域的天然優(yōu)勢。

在民用方向，撲翼機則可能更多的應(yīng)用在日常的交通出行上。與傳統(tǒng)的固定翼飛機相比，撲翼機的優(yōu)勢是無需起飛滑落的跑道場地；與旋翼飛機（直升機等）相比，撲翼機的優(yōu)勢在于省燃料且噪聲小。至少在目前的科技條件下，固定翼飛機和旋翼飛機具有難以克服的成本高、靈活度差等缺點，尚不能承擔普通生活中的日常出行和小規(guī)模活動的需要，這也是下文中不能成為能取代現(xiàn)有交通工具的原因。撲翼機未來的發(fā)展方向不應(yīng)該朝取代家用轎車和普通客機，而是向公交車和自行車的方向發(fā)展——大型的撲翼機可以作為公共交通工具的一環(huán)，環(huán)繞城區(qū)運輸人員和物資，大部分中小型城市修建地鐵不劃算，僅靠公交車又無法滿足需要，此時便可以用到大型撲翼機了，顯然，撲翼機的成本遠遠低于地鐵，而靈活性則高于地鐵，故撲翼機在成為普通公共交通工具上是有其優(yōu)勢的；還有就是個人日常出行時可以使用的小型便攜式撲翼機，就如同目前的日用自行車一樣，短距離、低載荷、高速度，撲翼機強于自行車的優(yōu)勢在于其高速和高空，加快速度縮短距離，用時更短，且無需跑道等必要起飛設(shè)施，故在日常出行領(lǐng)域有巨大的發(fā)展空間。在解決了大型撲翼機空中懸停和快速轉(zhuǎn)彎等方面的技術(shù)問題后，撲翼機甚至可能取代家用轎車的地位：天空上空間更大，沒有堵車的困擾，相撞的概率也比地上大大減小，把地面上的空間更多的留給行人，多余的空間更是能緩解城市用地荒的問題。在未來，建設(shè)新型的“立體城市”“天空城市”時，撲翼機會發(fā)揮出巨大的作用。

雖然撲翼機有著廣泛的潛在應(yīng)用空間，但還需要進行長期的發(fā)展才能滿足未來的巨大需要。

首先，非定常型空氣動力學(xué)必須要有巨大的發(fā)展。 撲翼機在進行撲翼飛行時，其機翼周圍的氣流變化是極其復(fù)雜的。雖然傳統(tǒng)的固定翼飛機其機翼附近的氣流變化也很復(fù)雜，但畢竟不需要考慮機翼與機身相對運動帶來的氣流變化，而撲翼機在整個撲翼周期中，既有著前進時的空氣阻力帶來的氣流，也有著撲翼相對空氣運動帶來的擾亂氣流。除了普通飛機迎風(fēng)面對飛行器氣動屬性的影響外，撲翼機前進的速度和撲翼的撲動速度、角度、運動軌跡都會影響其氣動屬性，這也給研究撲翼機氣動結(jié)構(gòu)帶來了巨大的困難。目前還未解決的難題包括翼的非定常運動、翼的弦向和展向的彎扭變形、開裂式翼尖、鋸齒狀后緣【6】等。撲翼機想發(fā)展，必須解決非定常空氣動力學(xué)和高升力機制的問題。

其次，材料學(xué)也需要有所發(fā)展。 現(xiàn)代飛機屬性的提高主要就是由材料和航電系統(tǒng)的發(fā)展帶來的。撲翼機的機翼要承受極其復(fù)雜的氣流沖擊，對其材料的強度、韌性、延展度等都有所要求。目前的材料還不足以滿足需要，需要繼續(xù)發(fā)展。

然后是高效的能源與動力系統(tǒng)。 這也是目前幾乎所有主流載具面臨的共同問題。撲翼運動時受到的空氣阻力是時刻變化的，這也對撲翼機的動力系統(tǒng)提出了更高的要求。

其四是撲翼飛行器的控制策略和控制系統(tǒng)。 目前撲翼機還沒有一種可以明顯服眾的控制系統(tǒng)設(shè)計。是僅靠撲翼完成變向和推進還是靠尾翼輔助調(diào)節(jié)，是一對撲翼還是多對撲翼，是整翼撲動還是部分翼撲動都還存在爭議（最后一項目前已經(jīng)基本統(tǒng)一意見了，部分翼撲動明顯優(yōu)于整翼撲動）。還需要大量的實驗和測試來確定哪種控制方案更符合需求。

對于MAV來說，困難還有一項。飛行器的氣動力很小，但干擾力(電機震顫、本身慣性等)很大，幾乎與氣動力是一個量級，很大地干擾了飛行器的正常飛行。這一問題困擾著各國科學(xué)家，目前進展很小。

因為撲翼機發(fā)展時間短，撲翼機的風(fēng)洞試驗方法目前也很不完善。風(fēng)洞試驗可以為設(shè)計提供可靠的原始數(shù)據(jù)，也可以驗證理論和方法的可行性。

最后是撲翼機的設(shè)計。目前國內(nèi)對撲翼機的設(shè)計主要是由撲翼機的愛好者完成的，他們相比于專業(yè)的飛行器設(shè)計師明顯缺乏設(shè)計經(jīng)驗，其成品也常常具有一些缺陷。目前已有部分高等院校和科研機構(gòu)開始了對撲翼機的研發(fā)工作，相信在不久的未來我們可以看到更多優(yōu)秀的撲翼機作品。

未來的撲翼機發(fā)展方向首先一定會先朝著微型化發(fā)展，MAV是所有偵查手段的發(fā)展方向之一，而撲翼機在MAV領(lǐng)域具有其他飛行器不能比擬的優(yōu)勢，而MAV的軍事意義十分重大。眾所周知，最先進的技術(shù)一定是先應(yīng)用到軍事上，國家現(xiàn)在又對軍隊加大了投入，故撲翼機未來的突破一定是在軍用MAV的方向。

微型化完成以后其發(fā)展應(yīng)該是仿生化，隨著對各種昆蟲和鳥類的研究不斷深入，仿生學(xué)上的進步一定會影響到工程學(xué)上。與傳統(tǒng)的固定翼飛機想比，與鳥類飛行方式更為相似的撲翼機明顯更容易運用到仿生學(xué)技術(shù)。自然界里的大部分飛行生物，其推重比和機動性都要遠遠高于目前人類所研發(fā)的一切飛行器，這是一座還未開發(fā)的寶藏。仿生學(xué)的研究結(jié)果可以極大的減少飛行器燃料消耗和能量浪費。

仿生化成功后，撲翼機的前進方向應(yīng)該是載人化。低消耗的撲翼飛行器甚至可以取代家用轎車的地位。到了那一天，人類就可以真正實現(xiàn)“空中都市”。

綜上所述，撲翼飛行器具有極其廣泛的應(yīng)用前景，但也有許多尚待解決的難題。但是，我相信撲翼機一定會有光明的未來。

感想?建議

感謝老師在這么長的時間里對我們的悉心教導(dǎo)。在整個教學(xué)過程中，老師跟我們展示了大量國際上先進的武器裝備，著實開闊了我們的眼界，我們真正見識到了國際上不同國家的武器裝備，也看到了我國國防事業(yè)的閃光點和不足點。在主要課程中，老師耐心地講述了各個部件的作用和工作原理。比如說，修這門課前，我對陀螺儀的工作原理困惑不已，但在老師深入淺出的講解后，終于明白了它是如何自我穩(wěn)定的。

來源：北理工飛行器控制系統(tǒng)實驗室

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