仿生飛行器的案例
仿生撲翼飛行器的控制系統
仿獵鷹飛行器
(a)仿獵鷹撲翼飛行器的整體結構；(b)仿獵鷹撲翼飛行器
整體來說，當前撲翼系統的自主水平和飛行特性不高，難以在復雜多變的場景和極端環境中進行導航和探索，仍需研究者們共同努力、突破難題。
參考文獻：
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[2] Yousaf R, Shahzad A, Qadri M M, et al. Recent advancements in flapping mechanism and wing design of micro aerial vehicles[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2020,235(19):4425-4446.
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[6] 顧光健. 仿生撲翼飛行器的設計制作與力學測試[D]. 南京航空航天大學, 2020.
展開 撲翼飛行器國內外研究狀況
該飛行器只有幾毫米大,首次將微機電系統（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）與昆蟲飛行原理結合到一起，為MEMS在微型飛行器上的應用提供了經驗。
在微型撲翼飛行器MAV高速發展的同時，傳統的載人撲翼飛行器也有所發展。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，機頭著地并旋轉而未圓滿完成飛行任務，但仍為撲翼機技術上的一大進步。
撲翼飛行器國內研究成果
國內對于撲翼飛行器的研究起步較晚、成果較少，但國內的撲翼機的研究制作發展勢頭很好，目前已有多家高等院校和科研機構開展了對撲翼機的研究工作。
清華大學的于婷、王文淵將實際的生物模型簡化，得到了撲翼模型，并以此為基礎構造了神經網絡控制方案。該模型是研究撲翼機結構的標準。雖然方案尚不完善，還不能直接解決復雜的實際問題，但為后續的研究打下了基礎。
南京航天航空大學在2004年研制出了國內第一架能在空中懸浮飛行的撲翼飛行器。2013年，南京航天航空大學的黃鳴陽成功做出了國內首架仿生海鷗撲翼飛行器，也是我國大型仿生飛行器領域中少有的成功實踐。
東南大學的于冰、王姝歆等學者已就仿生撲翼飛行機構和機理分析，控制方案，仿生翅運動系統和撲翼氣動特性進行了研究。并與揚州大學建立了聯合實驗測試平臺進行共同攻關和探討，并取得初步成效。
展開 超逼真仿生雨燕機器人，僅42克翼展68厘米，能自主導航飛行（轉載）
▲仿生雨燕飛行
在向下俯沖的時候，雨燕的翅膀葉片會關閉，因而可以減小飛行的阻力。雨燕機器人的機翼更貼合自然，因此這一仿生雨燕的飛行性能要比以往通過驅動器提供動力飛行的機器人更好。
仿生雨燕是通過基于無線電的室內GPS來確定飛行方向的，憑借這樣的系統才能保證5只仿生雨燕可以在既定的空中區域自主協調運動，并且不會相撞。
▲室內GPS保證雨燕群正常飛行
機械與運載工程領域顛覆性技術
2.航空航天運載領域
根據近期航空航天領域技術發展狀況、基礎學科技術突破情況等，按照能源動力技術、航空器技術、航天器技術三個技術分類篩選出已有和疑似顛覆性技術。
能源動力技術領域包括：垂直起降發動機、超燃沖壓發動機、太陽能飛機、全電飛機。
超燃沖壓發動機技術
高超聲速飛行器“是人類在發明飛機、突破音障、進入太空之后又一項具有跨時代意義的里程碑，是未來航空航天領域的另一發展方向”。高超聲速飛行器在進行超過5Ma飛行時，需要應用超燃沖壓發動機來完成工作。超燃沖壓發動機技術作為高超聲速飛行器技術的核心關鍵技術，將推動吸氣式噴氣發動機的進一步突破。
航空器技術領域包括：超聲速客機、無人智能化、航空母機、超長航時無人機、仿生智能集群技術。
仿生智能集群技術
仿生智能集群技術基于仿生微型飛行器和智能集群技術。研制仿生飛行器，將會突破目前大型航空飛行器設計過程中固化的設計理念和技術限制，微小型飛行器將具備極佳的隱蔽性和在狹小空間的飛行能力。協同集群技術的發展能夠克服單個微型飛行器能力不足的缺陷，將顛覆傳統單一飛行器的作戰模式，產生重大軍事變革。
航天器技術領域包括：可重復使用火箭、大型火箭、星際高速飛行器。
可重復使用航天運載技術
可重復使用航天運載技術基于可重復使用運載器。可重復使用運載器是指能夠在地球表面與太空之間重復往返的多用途飛行器，具有快速、安全、可靠、成本較低的巨大優勢。可重復使用航天運載器技術可改變目前航天運載器發射成本巨大的困境。
3.海洋運載領域
目前可燃冰開采船舶創新技術、船舶動力–無軸輪緣推進系統技術、船舶綠色化的創新與發展技術、海洋數據資源技術等技術領域可能存在疑似顛覆性技術。
吳有生院士指出，世界海洋運載裝備呈現以“綠色船舶技術”為基礎，以“綜合集成”“智能化”“深遠海”為主要發展方向的新趨勢。
展開 
分布式電推進飛行器高性能螺旋槳設計
與常規飛行器相比較，分布式電推進飛行器全機性能主要由分布式動力系統與機翼之間的耦合特性所決定，因此其氣動設計問題已由傳統機翼的干凈外形設計問題轉變為分布式動力與機翼強耦合下的最優特性設計問題，這對分布式電推進飛行器的動力系統和機翼等均提出了不同的要求。如美國X-57全電飛機所采用的分布式螺旋槳就與傳統螺旋槳不同，它是作為一種特殊的增升裝置，以改善飛機滑跑起降狀態下的升力特性為目標進行設計，被稱為“高升力螺旋槳”。因此，需要進一步結合分布式電推進飛行器發展，探討新型高性能動力單元和分布式動力系統的設計思想和設計方法，為下一步開展創新性研究提供建議和指引。
圖1 X-57分布式電推進飛行器
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主要內容
以類X-57分布式電推進飛行器為研究對象，脫離了傳統螺旋槳僅僅追求高推進效率的思路，提出并發展了以單位能量下獲得螺旋槳/機翼綜合氣動效率最優為目標的高性能螺旋槳優化設計思路和方法。
文章首先對模擬螺旋槳旋轉運動的數值方法進行介紹和算例驗證，包括多重參考坐標系方法、面源法和葉素動量理論方法3種，保證螺旋槳數值模擬和數值設計的準確性和可靠性。其次，對所發展的如下圖所示高性能螺旋槳優化設計方法框架和設計步驟進行介紹和分析，設計過程主要包括螺旋槳槳葉氣動載荷分布獲取，螺旋槳槳葉氣動載荷分布優化設計，以及任意環量分布下的高性能螺旋槳槳葉快速反設計。
展開 飛行器中的“精靈”——CA-X4810四旋翼飛行器
近年來，四旋翼飛行器可謂是航空領域的寵兒。無論是“小巧會飛的照相機”，還是飛行器大賽的種子選手，亦或是電力巡檢、快遞投送、救援搶險的小能手，甚至是披掛上陣，執行軍用任務的空中間諜，你都能看到四旋翼飛行器的身影。
從1970年，法國人發明的世界第一架有人駕駛的四旋翼飛行器升上天空，到近年來逐漸成為主流的微小型多旋翼無人機飛行器，四旋飛行器的發展并不能說是一帆風順。但隨著新材料、微機電、飛機控制等技術的不斷發展，多旋翼飛行器在實現微小轉化后，已經擁有了廣闊的民用和商用前景。
目前，棲云通航公司已上市了CA-X4810四旋翼飛行器。CA-X4810是一款超長續航，融合多功能的四旋翼飛行器。機身使用超輕碳纖維材料與航空鋁合金，相較于傳統金屬材料，結構性增強的同時，質量可以減輕25%。超輕機身巨能飛！
CA-X4810四旋翼飛行器使用了自主研發的超高密度鋰電池，比常用的鋰聚合物電池提高了50%的續航性能，在-40℃的環境下，容量保留率仍能達到70%。高密度電池實現超長續航！
CA-X4810四旋翼飛行器還使用了自主研發的高效率超輕無刷電機，電能轉化效率高達81.9%，最大速度可達到70KM/h，最大爬上速度可達5m/s,懸停時長最高可達100分鐘。輕量化動力系統，實現超高的巡航里程！
展開 我國超高速風洞預計2022年建成，天地往返飛行器高超音速飛行器曝光
在央視報道中，出現了疑似中國新型天地往返飛行器和高超音速飛行器的影子。
風洞被譽為是飛行器的搖籃。在位于北京懷柔科學城，一支幾代人傳承的科研團隊打造出了最新一代JF-22超高速風洞將于明年建成。
飛行器在天上飛，空氣不動，但是我們在地面上的時候，沒有辦法讓飛行器去飛，需要做一個飛行器的模型固定在這，在風洞產生高速的氣流吹這個模型，模擬它在天上飛的過程，這個就是風洞。
爆轟驅動超高速高焓激波風洞簡稱為JF22超高速風洞于2018年3月正式啟動，現在已進入現場安裝階段，完成真空艙、試驗艙和噴管的安裝，并通過專家組中期檢查，將于2022年建成。
▲JF22超高速風洞儀器安裝現場
就是這樣一個項目，經歷數代研發者的不懈努力，在錢學森、郭永懷部署的戰略方向上一路攻關，從高溫材料、到異型構造、再到傳感器設計，科研團隊在無人區反復探索，終于實現了從理論創新到技術創新的跨越。
直到2012年，總長265米、試驗段直徑達3.5米的JF-12復現風洞研制成功，可復現5到9倍聲速的飛行條件，實驗時間超過100毫秒，比其它同類型的激波風洞提高1個量級，成為國際最大、整體性能最先進的激波風洞，為我國航空航天重大任務研制提供了關鍵支撐。
作為研制新一代飛行器的搖籃，JF-22超高速風洞可以復現相當于約30倍聲速的飛行條件。JF-22最核心的技術就是通過正向爆轟驅動器為基本功能，提供平穩的驅動氣流，風洞的試驗能力要比JF-12驅動能力提高10倍。
▲JF12復現風洞
中科院力學所研究員、懷柔激波風洞項目負責人姜宗林說，JF-22風洞的目標是助力天地往返系統，若成功可以把衛星和航天器發射費用減掉90%。
展開 多旋翼+螺旋槳型eVTOL飛行器飛行性能簡要評估
多旋翼+螺旋槳型 eVTOL 飛行器實際上是電動版的復合式直升機。電動多旋翼相當于復合式直升機的單/雙旋翼，是專門用于提供升降力的推進器，電動螺旋槳是專門用于前向飛行的推進器，多旋翼的支撐結構可作為飛行短翼，在前向飛行時減輕多旋翼的升力負擔。
共軸雙槳復合式直升機
同多旋翼型 eVTOL飛行器和機翼+螺旋槳+多旋翼型eVTOL飛行器一樣，在此簡要評估一下此種類型 eVTOL 飛行器的飛行性能：
Eve Air Mobility Eve V3 網址：https://evtol.news/embraer/
垂直飛行性能：
多旋翼+螺旋槳型 eVTOL 飛行器，可靈活設計電動旋翼的直徑尺寸、功率載荷、旋翼數量，電動螺旋槳數量以及安裝位置、結構布局。
懸停狀態飛行：電動旋翼安裝位置距離飛行器重心遠，控制力矩大；電動旋翼在水平面上多位均勻布局，量化了方位角度，控制響應快；電動旋翼同型號的數量多，便于設計交替冗余使用。遇有強風干擾，電動螺旋槳能夠逆風推進，提高飛行器的抗風性能。
起降狀態飛行：垂直起飛時，電動螺旋槳能夠快速強力推進飛行器，加快從懸停到前飛狀態的過渡時間，減少懸停能量消耗；降落進近時，電動螺旋槳能反向推進為飛行器剎車，避免機頭上揚影響駕駛員著陸操縱視線。
前向飛行性能：
多旋翼+螺旋槳型 eVTOL 飛行器，專門由電動螺旋槳提供前向水平推進動力，能夠保持多旋翼槳盤平面處于水平狀態，使各個電動旋翼能夠均勻提供升力，避免了前后電動旋翼功率需求差異過大的困境。
電動旋翼支架結構能夠進行翼型設計，前向飛行時產生附加升力，提高飛行器的升阻比。
展開 世界最大飛行器，“飛天屁股”即將上天，可連續飛行兩周，中國的也來了
可能有些朋友還記得前幾年出現的一個被人們戲稱為“飛行屁股”的巨型飛艇，來看看它的樣子，從其前面的角度來看，真不是一般地驚艷，這個名稱真的是太形象太傳神了。
實際上這架飛艇的名字叫做Airlander 10，中文譯名多為“天空登陸者”，但由于其造型太過性感，人們大多只記住了“飛天屁股”這個名字，它由英國Hybrid Air Vehicles （HAV）混合空中飛艇公司設計和制造。
其造型既像飛艇也像飛機，而且它體積巨大，是全球最大飛行器，長度達92米，寬44米，高30米左右，僅上面用來載人和裝貨的船艙就長達46米，寬6米，占地面積約195平方米（非長方形）。
單從體積上來說，它要比波音747、空中客車a380、乃至安225等巨型飛機都更大，有人稱它是世界上最大的飛機，但很顯然它應該歸類為飛艇，所以應該稱其為世界上最大的飛行器，其內部至少可以注入3.8萬立方米的氦氣，可以將它托浮到六千多米高。
但是一般情況下它只會在500~1000米的高空中飛行，通常不會超過1500米，除非是連續多日的長距離飛行，理論上它可以連續飛行兩個星期，載人的情況下可以連續飛行5天。
Airlander 10依靠四臺325馬力的渦輪增壓柴油發動機驅動螺旋槳引擎提供動力，飛行時速度可達每小時150公里，雖然它的速度要比飛機慢，但是它的好處是不需要在機場降落，相對比較空曠的地方它都可以起飛和降落，甚至在雪地冰面乃至在海面上都可以隨時請假。
展開 香港大學王立秋教授團隊AM：“剛柔并濟”仿生微纖維驅動器
軟體驅動器具有彈性、可連續變形、能順應復雜環境以及具有高的安全性等諸多優勢，在傳感器、可穿戴設備、人造肌肉、生物醫學和能源收集等諸多領域具有廣闊的應用前景。為滿足實際應用的需求（如醫療機器人等），軟體驅動器應同時具備如下特性：（1）小型化以實現對有限密閉空間的最小侵入性訪問；（2）“開”和“關”的狀態具有較大的性能差異，既足夠軟以順應各種幾何環境，又足夠硬以便能執行各種任務；（3）具有優異的驅動性能，如高能量密度、高驅動應變、高驅動應力和大舉重比等；（4）可編程的變形能力。若具備上述特性，軟體驅動器便可在執行任務時（如靶向藥物遞送/釋放和微創手術）靈活地適應可能遇到的復雜和動態環境。然而，受限于設計和制造方法的不足，軟體驅動器往往無法同時滿足上述四個特性。
近日，王立秋教授團隊通過將仿生學設計和微流控技術相結合，實現了 “剛柔并濟”的微型軟體驅動器。仿生設計原理結合了海參真皮和植物卷須的結構和功能特征，分別實現了“剛柔并濟”和可編程形變的獨立調控和協同設計，提高了軟體驅動器的整體性能。液滴微流控技術實現了微纖維型軟體驅動器的精確制備。
圖1. （a-c）仿生驅動器的設計靈感，分別結合了海參真皮（a）和植物卷須（b）的性能；（d）驅動器變形的示意圖；（e）微流控技術用于制備微型驅動器。（a）中海參照片作者為Fran?ois Michonneau，按照CC BY 3.0許可使用，（b）中植物卷須照片作者分別為W. Carter（上，CC0，維基共享資源）和Jon Sullivan（下，維基共享資源）。
展開 《先進功能材料》首爾國立大學設計出具有變色能力的仿生柔性致動器
在一篇發表于Advanced Functional Materials的論文中，首爾國立大學的Jinhyeong Kwon博士和Seung Hwan Ko教授及其同事設計了具有仿生致動能力的色移各向異性柔性致動器（CASA）。
Hyeonseok Kim說道：“傳統熱操作柔性致動器具有局限性，因為其功能取決于整個設備的幾何形狀，并且加熱器的設計很復雜。然而，利用聚合物的各向異性熱膨脹特性，我們可以通過簡單地改變聚合物的方向來輕松地編制程序。“
具有不同縱橫比的CASA可以在加熱時以相同的曲率在相同方向上彎曲，而且在冷卻后恢復到初始形狀。通過將低密度聚乙烯薄膜（LDPE膜）的縱向方向相對于致動器的縱向方向改變至90°，在寬度方向上會產生扭曲和彎曲。
Hyeonseok Kim說：“通過在上述致動聚合物上應用熱敏顏料，我們可以成功模擬動物的運動和著色。這可能會在仿生柔性致動器領域產生重大影響。”
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201801847
來源：Wiley
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飛行器系統仿真與驗證
依據軌跡計算結果，建立系統級總體仿真模型，根據目標軌跡與實際軌跡的相對位置設計導引律，從導引律求出理論飛行狀態，理論飛行姿態與瞬時姿態比較得出差值，把差值送到設計的姿態控制律，得到理論舵角，理論舵角與實際舵角的差值送到執行機構，控制執行機構動作。
執行機構動作控制舵面改變飛行姿態，通過姿態動力學方程可以得出姿態角速度變化信息，姿態角速度變化信息可以通過飛行器受力和力矩變化，進而通過機體質心動力學和運動學求出質心變化，再與目標軌跡比較，形成一個閉環。
圖
1
基于Amesim的
飛行器
系統仿真
模型構成
2.2 飛行剖面與大氣環境
根據前期的軌跡計算結果，利用飛行剖面定義模塊，用戶可以與大氣參數模塊相結合，實現不同工況條件下大氣環境參數與飛行器模型的交互，從而分析不同環境下飛行的性能。
圖2 飛行剖面配置模塊
Simcenter Amesim航空航天庫提供了多種大氣環境模型且應用靈活，包含國際標準大氣ISA-1976、美國標準大氣NASA-TM-X-74335、國際民用飛行器組織ICAO的大氣標準，還可以分析溫帶、寒帶、熱帶以及極地環境的大氣條件，可以計算出不同高度的大氣壓力、溫度、密度、聲速、粘度以及熱導率等大氣屬性。同時模型還可以通過表格形式，支持用戶自己的實測大氣數據，方便用戶自定義使用。
圖3 航空航天庫中大氣環境模型、與飛行剖面定義
下面是不同大氣模型下，溫度、壓強、空氣密度、聲速與海拔高度的應對關系。
展開 飛行器尾舵純模態試驗
由于其獨特的環境和地理優勢，加之臨近空間飛行器的應用，使得臨近空間在未來空-天聯合作戰中扮演至關重要的角色。
有別于常規的飛機和航天器，臨近空間飛行器具有其自身的顯著特點及難點。在臨近空間區域，盡管大氣濃度已相對較低，但仍有一部分氣動升力和大氣層中的氧可供使用， 且長時間飛行空氣阻力尚不能完全忽略不計，因此，難以完全實現離心力平衡重力的軌道力學原理飛行。考慮到以上問題，工程師在設計之初就為其增加了操縱尾舵，以保證飛行器能夠保持高升阻比以及較好的穩定控制能力。
圖1 不同飛行器的尾舵
尾舵一般由舵機、舵軸和舵面三部分構成，在系統工作時，舵機根據所接收到的指令驅動舵面旋轉到指定的工作位置，從而實現對飛行器飛行姿態、方向的有效控制，增強飛行器的穩定性，改善飛行器的操縱性能。尾舵的工作動力學特性不僅關系到飛行狀態質量與制導精度，還直接影響飛行器的可靠性及安全性。
圖2 尾舵裝配示意圖
隨著設計水平的不斷提高，飛行器的飛行速度也愈加快速，其氣動彈性問題也日益突出。在不同的飛行狀態下，尾舵會受到不同的激勵，產生不同的振動模態，導致尾舵產生不同形式、程度的形變，進而影響尾舵的工作特性及穩定性。在飛行控制中，尾舵控制系統的顫振問題是一個備受關注、亟待解決的問題。因此，尾舵系統顫振分析是飛控設計的重要一環，而顫振的發生與尾舵系統振動特性密切相關，由此可以得知，尾舵系統模態參數是尾舵控制系統中的一個重要指標。
展開 基于Nastran軟件的飛行器舵系統模態研究
摘 要：本文基于Nastran軟件的模態計算方法，研究了飛行器舵系統模態敏感因素，可以指導舵系統結構剛度設計，舵面剛度和舵軸剛度變化對舵系統旋轉頻率和彎曲頻率均有影響，其中對舵系統彎曲頻率影響相對較大；舵機剛度和搖臂剛度變化主要對舵系統旋轉頻率有影響，對彎曲頻率影響很小；舵軸軸承支撐剛度變化主要對舵系統彎曲頻率有影響，對旋轉頻率影響很小。
關鍵詞：Nastran；飛行器；舵系統；模態
1 引言
舵系統是飛行器控制系統的重要執行機構[1]，與以往傳統的飛行器結構相比，新型飛行器舵尺寸與質量占比越來越大，舵自身模態對整體結構姿態的影響較大，控制系統設計不準確，可能會導致產品飛行時失控[2]；同時，舵系統具有強非線性，飛行時，在氣動力作用下，舵系統低頻頻率可能會與飛行器彈性頻率耦合，導致飛行器失穩，當舵系統旋轉頻率和彎曲頻率靠近時可能會導致飛行器發生顫振破壞。
目前舵系統動力學特性主要是靠模態試驗驗證，缺少在舵系統設計完成之后即對模型進行動力學建模和分析評估[3]。舵系統涉及多個結構的配合并且有較多間隙，上述對舵系統動力學特性有較大影響；舵系統模態試驗不能考察系統各環節對舵系統整體動態特性的影響，而且工程實際中存在舵系統試驗模態值偏低及一致性較差的問題[4]。因此，有必要基于仿真計算方法對飛行器舵系統模態敏感因素進行研究，以便指導舵系統結構設計，滿足舵系統模態要求。
本文基于Nastran軟件的模態計算方法，開展理論分析及仿真計算研究，工程應用價值明顯。以某飛行器舵系統為研究對象，其主要由空氣舵（舵面和舵軸）、舵機和傳動機構組成，傳動機構包括舵軸支撐軸承、搖臂和銷軸等結構。舵系統工作模式是舵機將電能轉換為機械能產生直線運動，通過傳動機構帶動舵面偏轉。
展開 飛行器總體設計
飛行器總體設計.pdf
