扑翼飞行器文献阅读

一、课题背景现在和未来的飞行机器人设计方向是期望机器人是小巧的、手提的、可随身携带的，像昆虫一样超低空飞行，能够灵活地完成侦查和搜索任务。随着空气动力学和mems制作等技术的发展，飞行器的小型化、微型化的研究越来越引起重视，微型飞行器(MAV)的出现正是这些研究的产物。MAV—般是指翼展长度在15cm左右，重量在几十克至上百克，有效载荷20g，航速64~80km/h，留空时间20~60min，航程数10km;它应有实时成像、导航及通讯能力，可用手、弹药或飞机部署。由于微型化的飞行器在众多领域有不可估量的应用潜力，因此世界许多发达国家已经将MAV技术列为研究的重点。1992年，美国兰德公司(RAND)提交DARPA的一份关于未来军事技术的研究报告首次提出了MAV的概念。该报告认为，携有微小传感器、尺寸极小的侦察飞行器的设想可以实现的，发展尺度位于昆虫量级的微型飞行系统对美国在未来保持军事领先具有重要意义，MAV将会改变未来的战争模式。此后，麻省理工学院(MIT)的林肯实验室(LincolnLaborat和美国海军研究实验室(NRL)对MAV技术上的可行性进行了更为深入的评估，得出了与兰德公司—致的结论。微型飞行器的概念唤起了巨大的研究热情，得到世界上许多国家的广泛关注，如澳大利亚、德国、日本、俄罗斯、印度、以色列等，他们继美国之后纷纷成立专门研究机构、投入研究经费。二、 MAV飞行方式的选择MAV通过机翼与周围空气的相互作用产生克服自身重力的升力，从而实现空中飞行之目的。目前MAV根据其翼型运动方式的不同可分为3类，分别为固定翼、旋翼和扑翼。固定翼MAV在空气动力学方面面临着不少技术问题。由于尺寸限制，固定翼通常采用小展旋比机翼布局，升阻比较小，升力面积也比较小，而且MAV飞行的速度也比较小人约lOm/s左右)，所以很难提供足够的升力。由于尺寸小和航速低,MAV的流场雷诺数比常规的飞行器小得多，传统的空气动力学理论已经不再适用。形象地讲，MAV在空气中以常规方式飞行，犹如通常的飞机在蜂蜜般粘稠的流体中飞行，大气脉动会使微型飞行器如巨浪中的小船。固定翼MAV的空气动力不太稳定，其飞行状态可能始终都在随时间而变化，因此，MAV的基本气动特性呈大尺度非定常流。由于MAV尺度小、重量轻，其受阵风的影响也比常规尺寸飞机大的多。旋翼和扑翼是两种比较适合厘米和毫米级的MAV所采用的方式，但相对旋翼，扑翼式飞行器有很多优点。由于扑翼可以同时产生升力和推力，扑翼式飞行器无需额外加装螺旋桨或喷气推进装置，仅用—副扑翼就可同时产生升力和推力。通过调整扑翼系统的扑动参数就可以灵活的改变飞行状态，从而可以省略部分控制面，大大简化结构，减轻机身重量。另一方面，对于利用螺旋桨来产生前进驱动力的MAV而言，螺旋桨的推进效率也随着飞行雷诺数的减少而降低。理论研究表明，扑翼推进效率比常规推进系统的推进效率要高，最高可达85％。因此，固定翼和旋翼不适合低雷诺数下的飞行，而具有以上优点的扑翼式飞行器非常适合MAV。关于扑翼的飞行机理和在MAV中的应用时目前该领域的研究热点之一。三、 关于扑翼的研究现状Microbat微型扑翼飞行器由加州理工学院(Caltech)AeroVironment公司及加州大学(UCLA)共同研制(图1)，首架原型机于1998年10月试飞，是最早的仿生物飞行方式的电动扑翼飞行器。机体骨架和机翼采用新型超强复合材料，机翼模仿蝙蝠和昆虫的翅膀，采用MEMS技术加工制作；以锂离子高能电池为动力,通过低摩擦轻型传动机构将微电机的转动转变为机翼的扑动。该飞行器已经发展了4种不同的原理样机。飞行性能最好的是第4代样机，总重11.5g，最大尺寸20.32cm,扑翼频率为20Hz，飞行方式为无线电遥控飞行。200年8月，该飞行器创下飞行22min45s的航时新记录。该机可携带一台微型摄像机或音响传感器，具有上下行数据链路。图1图2美国佐治亚理工大学（GTRI）、英国剑桥大学及ETS实验室正在共同研制仿昆虫的微型飞行器Entomopter图2）。该飞行器机翼为蝴蝶翅膀状，采用特殊结构和材料制成，翼展为25.4cm，用一种往复式化学肌肉（ReciprocatingChemicalMuscle,）驱动。RCM是一种不通过燃烧反应就可以将化学能转化为机械能的机构，具有较高的能量转换效率燃料注入后，能使翅膀以10Hz的频率上下拍动，并能产生飞行控制所需的电能。在概念设计中，该飞行器的每一部分设计都很独特，如机翼上下扇动能根据昆虫飞行原理提供升力,并使飞行器具有盘旋能力；尾部天线能够增加平衡作用；腿不仅可使飞行器着地和在地面移动，又可存放燃料，此外还可提高转动惯量以增加飞行中的横滚稳定性。图3 图4此外，在DARPA的资助下，美国斯坦福研究中心（SRI和多伦多大学正在共同研制一种扑翼微型飞行器Mentor（图3），最大翼展为15cm，重50g，采用电致伸缩聚合体人造肌肉（ElectrostrietivePolymerActuatedMuscle为动力M）美国加州大学伯克利分校（UCBerkeley自1998年开始研制一种微机械飞虫MFI（MicromechanicalFlyingInsect）（图4），MFI根据仿生学原理进行设计，翅膀用可收拢的薄聚酯制造，能模仿苍蝇的飞行特点，尺寸为10_25mm，重量不超过43mg。MFI采驱动器可以使翅膀作大幅度扑动，振动频率达到150HZ。他们声称已经发现一种特殊的翅膀运动能提供四倍于昆虫重量的升力。Vanderbil大学的CIM也在发展一种利用压电原理驱动机翼的微型扑翼机器昆虫（图5），这种人工昆虫目前的翼展为15cm，机翼驱动系统由陶瓷压电材料制成并由重量约15g的锂电池供电。国内的西北工业大学也在研制微型扑翼飞行器，该飞行器采用聚合物锂电池和微电机驱动，碳纤维机架，柔性机翼，全机重量约15g，扑翼频率15一20皿，飞行方式为无线电遥控飞行。上海交通大学正则在研究翼展50_60mm的基于电磁和基于压电驱动的扑翼MAV方案。南京航空航天大学在2004年4月研制成功了国内第一架能在空中飞行的扑翼飞行器。图5四、 关于扑翼气动特性的研究扑翼的气动特性研究是设计、优化和控制微型扑动飞行器(MicroAirVeh，icMlAeV)的重要环节。近年来扑翼空气动力学特性的研究有了很大的发展，但对于MAV所处的低雷诺数下的非定常气动特性、扑翼柔性变形对气动特性的影响等一些突出问题还有待进一步研究。特别是随着材料、生物电池等技术的进步和发展，扑动飞行器进一步微型化、柔性化的发展趋势日趋明显，这些新型MAV的尺度、飞行雷诺数等参数都与小型昆虫的相似，因此，研究昆虫扑翅获取高升力和推力的飞行机制能为发展MAV提供一些参考和灵感，其中研究低雷诺数下柔性翅的气动特性尤为重要。近年来国内外学者对昆虫的扑翼飞行方式及其飞行机制进行了深入研究，取得了显著成果。昆虫在飞行中通过扑动翅膀来调整升力和推力从而改变其飞行速度和高度。近年来人们通过对多种飞行昆虫的实验观测发现昆虫扑翼在扑动飞行中会产生不同程度的弯曲和扭转，不同昆虫这种弯曲和扭转的方式和程度也不同，这些变形对昆虫扑动飞行性能有显著的影响•此外，在MAV样机试验中也发现，采用仿生材料研制的扑动机翼在拍动过程中产生的柔性变形对扑翼的气动特性有着重要影响．国内外对扑翼飞行的气动特性已经进行了大量研究。如Katz,Giesing,Basu和aflligot等人使用的是面元法和涡格法，也有一些专家用解N~S方程来计算扑翼的非定常流场，早期的数值研究大都假设翅翼为刚性无变形，随着计算机技术和流体力学计算方法的进步和发展，越来越多的数值研究关注柔性变形对扑翼气动特性的影响．五、 展望虽然人们对扑翼飞行器进行了详细的探讨和研究，但尚有许多方面有待进一步地深入研究：1、 低雷诺数下昆虫飞行机理的进一步研究。扑翼的飞行方式是目前被认为最有效的飞行方式，但低雷诺数下的扑翼飞行机理的研究难度