撲翼飛行器文獻(xiàn)閱讀

一、課題背景現(xiàn)在和未來的飛行機(jī)器人設(shè)計方向是期望機(jī)器人是小巧的、手提的、可隨身攜帶的，像昆蟲一樣超低空飛行，能夠靈活地完成偵查和搜索任務(wù)。隨著空氣動力學(xué)和mems制作等技術(shù)的發(fā)展，飛行器的小型化、微型化的研究越來越引起重視，微型飛行器(MAV)的出現(xiàn)正是這些研究的產(chǎn)物。MAV—般是指翼展長度在15cm左右，重量在幾十克至上百克，有效載荷20g，航速64~80km/h，留空時間20~60min，航程數(shù)10km;它應(yīng)有實時成像、導(dǎo)航及通訊能力，可用手、彈藥或飛機(jī)部署。由于微型化的飛行器在眾多領(lǐng)域有不可估量的應(yīng)用潛力，因此世界許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)將MAV技術(shù)列為研究的重點。1992年，美國蘭德公司(RAND)提交DARPA的一份關(guān)于未來軍事技術(shù)的研究報告首次提出了MAV的概念。該報告認(rèn)為，攜有微小傳感器、尺寸極小的偵察飛行器的設(shè)想可以實現(xiàn)的，發(fā)展尺度位于昆蟲量級的微型飛行系統(tǒng)對美國在未來保持軍事領(lǐng)先具有重要意義，MAV將會改變未來的戰(zhàn)爭模式。此后，麻省理工學(xué)院(MIT)的林肯實驗室(LincolnLaborat和美國海軍研究實驗室(NRL)對MAV技術(shù)上的可行性進(jìn)行了更為深入的評估，得出了與蘭德公司—致的結(jié)論。微型飛行器的概念喚起了巨大的研究熱情，得到世界上許多國家的廣泛關(guān)注，如澳大利亞、德國、日本、俄羅斯、印度、以色列等，他們繼美國之后紛紛成立專門研究機(jī)構(gòu)、投入研究經(jīng)費。二、 MAV飛行方式的選擇MAV通過機(jī)翼與周圍空氣的相互作用產(chǎn)生克服自身重力的升力，從而實現(xiàn)空中飛行之目的。目前MAV根據(jù)其翼型運動方式的不同可分為3類，分別為固定翼、旋翼和撲翼。固定翼MAV在空氣動力學(xué)方面面臨著不少技術(shù)問題。由于尺寸限制，固定翼通常采用小展旋比機(jī)翼布局，升阻比較小，升力面積也比較小，而且MAV飛行的速度也比較小人約lOm/s左右)，所以很難提供足夠的升力。由于尺寸小和航速低,MAV的流場雷諾數(shù)比常規(guī)的飛行器小得多，傳統(tǒng)的空氣動力學(xué)理論已經(jīng)不再適用。形象地講，MAV在空氣中以常規(guī)方式飛行，猶如通常的飛機(jī)在蜂蜜般粘稠的流體中飛行，大氣脈動會使微型飛行器如巨浪中的小船。固定翼MAV的空氣動力不太穩(wěn)定，其飛行狀態(tài)可能始終都在隨時間而變化，因此，MAV的基本氣動特性呈大尺度非定常流。由于MAV尺度小、重量輕，其受陣風(fēng)的影響也比常規(guī)尺寸飛機(jī)大的多。旋翼和撲翼是兩種比較適合厘米和毫米級的MAV所采用的方式，但相對旋翼，撲翼式飛行器有很多優(yōu)點。由于撲翼可以同時產(chǎn)生升力和推力，撲翼式飛行器無需額外加裝螺旋槳或噴氣推進(jìn)裝置，僅用—副撲翼就可同時產(chǎn)生升力和推力。通過調(diào)整撲翼系統(tǒng)的撲動參數(shù)就可以靈活的改變飛行狀態(tài)，從而可以省略部分控制面，大大簡化結(jié)構(gòu)，減輕機(jī)身重量。另一方面，對于利用螺旋槳來產(chǎn)生前進(jìn)驅(qū)動力的MAV而言，螺旋槳的推進(jìn)效率也隨著飛行雷諾數(shù)的減少而降低。理論研究表明，撲翼推進(jìn)效率比常規(guī)推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)效率要高，最高可達(dá)85％。因此，固定翼和旋翼不適合低雷諾數(shù)下的飛行，而具有以上優(yōu)點的撲翼式飛行器非常適合MAV。關(guān)于撲翼的飛行機(jī)理和在MAV中的應(yīng)用時目前該領(lǐng)域的研究熱點之一。三、 關(guān)于撲翼的研究現(xiàn)狀Microbat微型撲翼飛行器由加州理工學(xué)院(Caltech)AeroVironment公司及加州大學(xué)(UCLA)共同研制(圖1)，首架原型機(jī)于1998年10月試飛，是最早的仿生物飛行方式的電動撲翼飛行器。機(jī)體骨架和機(jī)翼采用新型超強(qiáng)復(fù)合材料，機(jī)翼模仿蝙蝠和昆蟲的翅膀，采用MEMS技術(shù)加工制作；以鋰離子高能電池為動力,通過低摩擦輕型傳動機(jī)構(gòu)將微電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)翼的撲動。該飛行器已經(jīng)發(fā)展了4種不同的原理樣機(jī)。飛行性能最好的是第4代樣機(jī)，總重11.5g，最大尺寸20.32cm,撲翼頻率為20Hz，飛行方式為無線電遙控飛行。200年8月，該飛行器創(chuàng)下飛行22min45s的航時新記錄。該機(jī)可攜帶一臺微型攝像機(jī)或音響傳感器，具有上下行數(shù)據(jù)鏈路。圖1圖2美國佐治亞理工大學(xué)（GTRI）、英國劍橋大學(xué)及ETS實驗室正在共同研制仿昆蟲的微型飛行器Entomopter圖2）。該飛行器機(jī)翼為蝴蝶翅膀狀，采用特殊結(jié)構(gòu)和材料制成，翼展為25.4cm，用一種往復(fù)式化學(xué)肌肉（ReciprocatingChemicalMuscle,）驅(qū)動。RCM是一種不通過燃燒反應(yīng)就可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的機(jī)構(gòu)，具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率燃料注入后，能使翅膀以10Hz的頻率上下拍動，并能產(chǎn)生飛行控制所需的電能。在概念設(shè)計中，該飛行器的每一部分設(shè)計都很獨特，如機(jī)翼上下扇動能根據(jù)昆蟲飛行原理提供升力,并使飛行器具有盤旋能力；尾部天線能夠增加平衡作用；腿不僅可使飛行器著地和在地面移動，又可存放燃料，此外還可提高轉(zhuǎn)動慣量以增加飛行中的橫滾穩(wěn)定性。圖3 圖4此外，在DARPA的資助下，美國斯坦福研究中心（SRI和多倫多大學(xué)正在共同研制一種撲翼微型飛行器Mentor（圖3），最大翼展為15cm，重50g，采用電致伸縮聚合體人造肌肉（ElectrostrietivePolymerActuatedMuscle為動力M）美國加州大學(xué)伯克利分校（UCBerkeley自1998年開始研制一種微機(jī)械飛蟲MFI（MicromechanicalFlyingInsect）（圖4），MFI根據(jù)仿生學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計，翅膀用可收攏的薄聚酯制造，能模仿蒼蠅的飛行特點，尺寸為10_25mm，重量不超過43mg。MFI采驅(qū)動器可以使翅膀作大幅度撲動，振動頻率達(dá)到150HZ。他們聲稱已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種特殊的翅膀運動能提供四倍于昆蟲重量的升力。Vanderbil大學(xué)的CIM也在發(fā)展一種利用壓電原理驅(qū)動機(jī)翼的微型撲翼機(jī)器昆蟲（圖5），這種人工昆蟲目前的翼展為15cm，機(jī)翼驅(qū)動系統(tǒng)由陶瓷壓電材料制成并由重量約15g的鋰電池供電。國內(nèi)的西北工業(yè)大學(xué)也在研制微型撲翼飛行器，該飛行器采用聚合物鋰電池和微電機(jī)驅(qū)動，碳纖維機(jī)架，柔性機(jī)翼，全機(jī)重量約15g，撲翼頻率15一20皿，飛行方式為無線電遙控飛行。上海交通大學(xué)正則在研究翼展50_60mm的基于電磁和基于壓電驅(qū)動的撲翼MAV方案。南京航空航天大學(xué)在2004年4月研制成功了國內(nèi)第一架能在空中飛行的撲翼飛行器。圖5四、 關(guān)于撲翼氣動特性的研究撲翼的氣動特性研究是設(shè)計、優(yōu)化和控制微型撲動飛行器(MicroAirVeh，icMlAeV)的重要環(huán)節(jié)。近年來撲翼空氣動力學(xué)特性的研究有了很大的發(fā)展，但對于MAV所處的低雷諾數(shù)下的非定常氣動特性、撲翼柔性變形對氣動特性的影響等一些突出問題還有待進(jìn)一步研究。特別是隨著材料、生物電池等技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，撲動飛行器進(jìn)一步微型化、柔性化的發(fā)展趨勢日趨明顯，這些新型MAV的尺度、飛行雷諾數(shù)等參數(shù)都與小型昆蟲的相似，因此，研究昆蟲撲翅獲取高升力和推力的飛行機(jī)制能為發(fā)展MAV提供一些參考和靈感，其中研究低雷諾數(shù)下柔性翅的氣動特性尤為重要。近年來國內(nèi)外學(xué)者對昆蟲的撲翼飛行方式及其飛行機(jī)制進(jìn)行了深入研究，取得了顯著成果。昆蟲在飛行中通過撲動翅膀來調(diào)整升力和推力從而改變其飛行速度和高度。近年來人們通過對多種飛行昆蟲的實驗觀測發(fā)現(xiàn)昆蟲撲翼在撲動飛行中會產(chǎn)生不同程度的彎曲和扭轉(zhuǎn)，不同昆蟲這種彎曲和扭轉(zhuǎn)的方式和程度也不同，這些變形對昆蟲撲動飛行性能有顯著的影響?此外，在MAV樣機(jī)試驗中也發(fā)現(xiàn)，采用仿生材料研制的撲動機(jī)翼在拍動過程中產(chǎn)生的柔性變形對撲翼的氣動特性有著重要影響．國內(nèi)外對撲翼飛行的氣動特性已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。如Katz,Giesing,Basu和aflligot等人使用的是面元法和渦格法，也有一些專家用解N~S方程來計算撲翼的非定常流場，早期的數(shù)值研究大都假設(shè)翅翼為剛性無變形，隨著計算機(jī)技術(shù)和流體力學(xué)計算方法的進(jìn)步和發(fā)展，越來越多的數(shù)值研究關(guān)注柔性變形對撲翼氣動特性的影響．五、 展望雖然人們對撲翼飛行器進(jìn)行了詳細(xì)的探討和研究，但尚有許多方面有待進(jìn)一步地深入研究：1、 低雷諾數(shù)下昆蟲飛行機(jī)理的進(jìn)一步研究。撲翼的飛行方式是目前被認(rèn)為最有效的飛行方式，但低雷諾數(shù)下的撲翼飛行機(jī)理的研究難度