扑翼式飞行器的发展与展望

摘 要：本文简要介绍了扑翼式飞行器的国内外发展史，以及扑翼式飞行器相比于其他飞行器的优势，概述了当前扑翼式飞行器在国内外研究现状。以此为基础，讨论了现阶段扑翼式飞行器研究的关键技术，并对我国未来扑翼式飞行器的发展方向进行了展望。

关键词：微型飞行器；扑翼式飞行器；研究现状；关键技术

中图分类号：V249 文献标识码：A

引言

从古至今，人们从没有放弃过对翱翔梦的追求。不仅在许多的古书名著中都有长着翅膀的角色形象，人们也一直在用实际行动尝试着各种飞行的可能。昆虫和鸟类的超强飞行能力逐渐引起了人们的关注，早在中国的汉代时期、欧洲的中世纪就有人模拟鸟类进行飞行活动的记载。随着科技的快速发展，以及飞行器在军事上和民用上的广泛应用前景，扑翼式飞行器已经成为当今的研究热点。

1扑翼式飞行器的发展史

1.1 扑翼式飞行器的早期发展

历史上记载了许多人们对飞行的各种尝试方法，《墨子·鲁问》中记载，鲁班制造的木鸟可以飞行三天；古代中国甚至有人将大鸟的羽毛贴在身上试图飞起来，但最终都失败了。人们逐渐认识到想要飞行必须加上合适的机械装置。

15世纪70年代，著名发明家莱昂纳多·达芬奇设计出一种由飞行员自己提供动力的飞行器，并称之为“扑翼飞机”。“扑翼飞机”模仿鸟儿、蝙蝠和恐龙时代的翼龙，具有多个翅膀。達芬奇认为扑翼机具备推力和提升力。之后人们仿照它进行了很多尝试，有的可以上下蹦跳几下，有的摔成碎片，结果都失败了。

1874年，法国生物学家马雷用连续拍摄的方式初步掌握了鸟类复杂的飞行扑翼动作，以当时的技术水平，这种高难度的动作是无法实现的，与此同时热气球的出现，就使早起人们对制造飞行器尝试告一段落，研究开始转向了其他领域。

1.2扑翼式飞行器国内外的研究现状

随着仿生技术、空气动力学和微加工技术的日益发展，加之军事和民用的广泛应用前景，扑翼式飞行器再次成为了国内外科学领域研究的热点。1997年，DAPRA投入3500万美元，开始了为期四年的MAV的研究计划。加州理工学院、多伦多大学、佐治亚技术研究所、佛罗里达大学、Vanderbilt大学等单位研制了不同结构的扑翼MAV，翼展一般在15cm左右，多采用电池提供能源，飞行时间约在几分钟到十几分钟。加州大学伯克利分校研制的“机器苍蝇”扑翼MAV总重约为43mg，直径为5mm～10mm，采用太阳能电池和压电驱动。

西北工业大学研制的扑翼MAV采用聚合物锂电池和微型电机驱动，可实现扑翼15Hz～20Hz左右的频率上下拍动，翼展超过15cm。

2扑翼式飞行器的优势及可行性

按照飞行原理的不同划分，MAV可分为固定翼、旋翼和扑翼三种。同其他形式的微型飞行器相比，扑翼式飞行器可以通过自身机翼扇动产生的上下大气压差来飞行。它具有尺寸小、噪音弱、灵活性强、隐蔽性好的特点。

通过分析昆虫各个部分的结构，选用合理的驱动装置，并由电池或其他化学物质提供能源，仿照昆虫结构，同时辅以MEMS设备和装配技术，便可以加工制造出扑翼式微型飞行器。

3关键技术

3.1 空气动力学问题

微型飞行器不同于普通飞机，它的雷诺数大约在104左右，空气的粘性阻力相对比较大，并且扑翼式飞行器是以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为基础，但是昆虫和鸟类的翅膀是平面薄体结构，而非机翼的流线型。我们应充分研究这种非传统空气动力学和昆虫翅膀的运动方式，进行提炼和简化，仿生出扑翼式飞行器。

3.2 微型飞行器动力问题

扑翼式微型飞行器要求外形小、质量轻、驱动元件效率高、能耗少。目前，微型飞行器可用的动力源有：内燃发动机、燃料电池、太阳能、电动机以及微型涡轮发动机等。从能量转换效率来看，微型内燃发动机的应用前景非常广泛。但是内燃机的热效率只有5%左右，而且内燃发动机还存在噪音大和可靠性差等方面的问题，还需要大量研究以解决这个关键问题。

3.3 飞行器的材料及翼型问题

设计出具有非传统空气动力学特性的高效仿生翼，是扑翼式飞行器研究急需解决的问题。仿生翼必须轻而坚固，保证在高频的振动下不会断裂，能够提供足够的升力和推进力，具有很强的灵活性等。这就要求从材料和翼型等方面进行分析。现如今已研究出在驱动结构设计中，使用压电陶瓷和化学肌肉等智能材料。我们需综合考虑扑翼式飞行器的结构特性、运动和能源特性及机构制作的工艺特性要求来选择合适性能的材料。

3.4 飞行控制和通信问题

扑翼式飞行器无法做到像昆虫及鸟类控制各种飞行活动，因此我们需要从昆虫及鸟类的结构中提取核心要点。目前比较有前景的控制方式是在微型飞行器的表面分布微气囊和微型智能自适应机构，通过微流动控制实现对微型飞行器的飞行控制。此外，扑翼式飞行器在飞行过程中往往要飞离操纵者，这就意味着飞行器必须具备灵敏的通信系统，来传递和控制飞行器。研制适合的GPS接收机和地面匹配系统是目前较为前沿的通信方式。随着电子和计算机技术的飞速发展，通信系统将更加完善和进步。

4 扑翼式飞行器的展望

4.1 提高续航时间

扑翼式飞行器体积小，所能储存的能量较少，导致飞行时间较短。如何提高能源利用率，有效提高微型飞行器的飞行时间是未来的发展方向之一。

4.2 飞行器的进一步微型化

想要进一步缩小扑翼式飞行器的尺寸，就要将飞行里的内部构件全部缩小。未来的扑翼式飞行器将达到在飞行中难以用肉眼辨别的程度，甚至难以被雷达辨别。这样它将具有更广泛的应用价值。

4.3 灵活的自主飞行

以现在的研究水平，飞行器尚不可完成复杂的高难度动作，也不能通过气压气流的改变完成自我控制从而独立飞行。随着技术和研究的深入，未来的扑翼式飞行器将实现自我控制，并独立完成各种飞行状态的改变。

结语

随着人们认识到扑翼式飞行器在军事上的重要性和民用领域的广泛应用前景，扑翼式微型飞行器现在成为科学领域的研究热点。然而现在国内外的研究都还处于起步阶段，还有许多需要完善的方法和技术。相信总有一天，扑翼式飞行器将在各个领域取得广泛的应用。

参考文献

[1]刘岚.微型扑翼飞行器的仿生翼设计技术研究[D].西北工业大学，2007.

[2]陈文元.微型扑翼式仿生飞行器[M]. 上海：上海交通大学出版社，2010.

[3]宗光华.扑翼式微型飞行器的发展史[D].北京航空航天大学，机器人研究所，2004.

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