摘 要：仿生撲翼飛行器是一種新型飛行器，其體積小、重量輕、隱蔽性好等特點(diǎn)在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。文章綜述了仿生撲翼飛行器的結(jié)構(gòu)分類(lèi)和升力產(chǎn)生機(jī)理，總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究的理論成果，并介紹現(xiàn)階段研究所面臨的困難，闡述仿生撲翼飛行器的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：仿生撲翼飛行器；仿生學(xué)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 概述

仿生撲翼飛行器是將推進(jìn)、爬升和懸停集于一個(gè)撲翼系統(tǒng)的新型飛行器。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家著手于仿生撲翼飛行器飛行的姿態(tài)、空氣動(dòng)力學(xué)和能量轉(zhuǎn)換等方面的研究，雖然取得了階段性的成果，仍面臨許多問(wèn)題[1]。隨后將按照分類(lèi)與布局、獲取升力原理、研究成果和面臨問(wèn)題的順序?qū)湟盹w行器國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)。

2 撲翼的分類(lèi)

國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的撲翼飛行器主要有單對(duì)和雙對(duì)兩種驅(qū)動(dòng)形式。單對(duì)撲翼飛行器采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)或壓電材料驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)翅膀的怕打與扭轉(zhuǎn)。機(jī)翼設(shè)計(jì)成仿生骨架結(jié)構(gòu)，采用碳纖維材料制成，再在骨架上粘貼仿生翼膜，形成類(lèi)似蝙蝠翅膀的仿生翼。這種仿生翼具有很高的強(qiáng)度和韌性有更高的橫向穩(wěn)定性。

雙對(duì)撲翼飛行器是采用化學(xué)肌肉材料設(shè)計(jì)的一種仿生飛行器。可借助MEMS技術(shù)使飛行器尺寸微小化，其獨(dú)特的飛行方式能夠?qū)崿F(xiàn)快速啟動(dòng)、長(zhǎng)時(shí)間飛行和懸停，同時(shí)可以保持翅膀不動(dòng)滑行一段距離，大大減少了能源的使用[2]。

3 撲翼產(chǎn)生升力的原理

3.1 Weis-Fogh機(jī)制

1973年，Weis-Fogh研究發(fā)現(xiàn)小黃蜂在起飛前兩翅前緣相互靠攏然后迅速打開(kāi)，此時(shí)在兩翅中間形成低壓腔，將周?chē)諝饪焖傥?，在翅膀周?chē)纬射鰷u。該漩渦附著在翼尖附近不脫落，給昆蟲(chóng)向上舉升的力，從而產(chǎn)生瞬時(shí)高升力。隨后他又將這一現(xiàn)象從理論和實(shí)驗(yàn)角度進(jìn)行分析，最終證明此現(xiàn)象為撲翼飛行產(chǎn)生升力的主要原因之一[3]。

3.2 延時(shí)失速效應(yīng)

1997年，英國(guó)劍橋大學(xué)的Ellington在空氣流場(chǎng)中放入飛蛾的翅膀模型，模擬飛蛾的飛行姿態(tài)[4]。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)撲翼下拍時(shí)在翅膀前緣產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的前緣渦，使靠近前緣上表面形成低壓區(qū)，上下翅面產(chǎn)生壓強(qiáng)差，大大提高飛行所需升力。隨后Ellington又發(fā)現(xiàn)翅膀表面產(chǎn)生一展向流動(dòng)，使前緣渦在形成后緊貼翅膀表面，隨著迎角的增大，保證前緣渦不發(fā)生脫落造成失速。經(jīng)試驗(yàn)和理論證明后，將這一現(xiàn)象命名為“延時(shí)失速效應(yīng)”。

3.3 尾跡捕獲機(jī)制Wake Capture

1999年，美國(guó)加州大學(xué)的Michael Dickinson等人在Ellington研究的基礎(chǔ)上將一對(duì)果蠅的翅膀模型放入到研究氣動(dòng)力的油液中。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)翅膀在一個(gè)撲動(dòng)周期內(nèi)發(fā)生兩次扭轉(zhuǎn)，每次扭轉(zhuǎn)翅膀都會(huì)以相反的方向遇到前一個(gè)行程產(chǎn)生的氣流擾動(dòng)，這使得翅膀與空氣的相對(duì)速度增加，增加了飛行時(shí)的額外動(dòng)力，此現(xiàn)象后被命名為“尾跡捕獲“。

4 仿生撲翼飛行器的新進(jìn)展

1998年，加州理工學(xué)院和加利福尼亞大學(xué)微機(jī)械研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研制了微型蝙蝠“Micro Bat”，是一種最早由微型電機(jī)和精密機(jī)械機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的仿生物飛行的電動(dòng)撲翼飛行器，該機(jī)身骨架和機(jī)翼采用新型超強(qiáng)復(fù)合材料，翼型仿照蝙蝠和昆蟲(chóng)的翅膀制作，采用MEMS技術(shù)加工制成，可實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的飛行和完成簡(jiǎn)單的飛行動(dòng)作。

2013年，F(xiàn)esto公司研制的仿生蜻蜓BionicOpter可以向各個(gè)方向飛行，為了控制共有的振翅頻率和各翅膀的扭轉(zhuǎn)，在四個(gè)翅膀的每一個(gè)上都采用了振幅控制器，翅膀的扭轉(zhuǎn)決定著推力方向。通過(guò)振幅控制器，推力的大小能夠得到調(diào)節(jié)。高度集成的輕量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)獨(dú)特飛行特性，無(wú)論是感應(yīng)器、執(zhí)行元件和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部件，還是控制和調(diào)節(jié)技術(shù)裝備，其安裝空間緊湊并相互配合。BionicOpter翼展有63cm、身長(zhǎng)44cm、重量為175克。它的四只翅膀是由碳纖制造，身體由具彈性的聚酰胺和三元制成，里面載有一個(gè)ARM處理器、九個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)、電池和無(wú)線接收器等。每只翅膀都有一個(gè)獨(dú)立的振幅控制器，它們會(huì)協(xié)調(diào)地轉(zhuǎn)動(dòng)和擺動(dòng)使到 BionicOpter 能夠飛向任何方向，甚至是定點(diǎn)懸浮。

5 研究的關(guān)鍵性問(wèn)題

撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是微型撲翼飛行器撲翼系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，其性能的好壞直接關(guān)系到翅翼的運(yùn)動(dòng)形式、氣動(dòng)力的產(chǎn)生以及能量的利用效率，傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單不能完全模仿昆蟲(chóng)的飛行姿態(tài)靈活性較差，如何合理設(shè)計(jì)撲翼飛行器的新型驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是目前面臨的主要問(wèn)題。

現(xiàn)階段的飛行器樣機(jī)大多采用聚合物鋰電池提供能量，這大大增加了飛行器的尺寸和重量，同時(shí)不能很好的為飛行器提供動(dòng)力，隨著技術(shù)發(fā)展要求對(duì)能源的質(zhì)量及功率等方面進(jìn)行深入研究。

撲翼飛行器的控制方式與傳統(tǒng)的固定翼控制不同，其飛行姿態(tài)依靠改變撲翼運(yùn)動(dòng)方式和尾翼的配合共同完成，關(guān)鍵包括輔助與自主飛行控制基礎(chǔ)理論和技術(shù)問(wèn)題，飛行數(shù)據(jù)采集和控制元件的設(shè)計(jì)及方案實(shí)施，將各個(gè)控制器件、導(dǎo)航和信息接收集成化也是仿生撲翼飛行器設(shè)計(jì)的主要研究問(wèn)題。

6 結(jié)束語(yǔ)

仿生撲翼飛行器的研究涉及空氣動(dòng)力學(xué)、仿生學(xué)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)學(xué)科，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，初步掌握了撲翼飛行器的理論知識(shí)，但要想真正實(shí)現(xiàn)模仿昆蟲(chóng)的飛行姿態(tài)仍然需要進(jìn)一步的努力，突破目前所面臨的難點(diǎn)。隨著微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的成熟，未來(lái)的仿生撲翼飛行器將更加的小型化、集成化，一旦仿生撲翼飛行器應(yīng)用到軍事和民用領(lǐng)域，它所帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)作用將是不可估量的。

參考文獻(xiàn)

[1]劉嵐，方宗德.微型撲翼飛行器的升力風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2007，22（8）：320-321.

[2]劉嵐，方宗德，侯宇，等.仿生微撲翼飛行器的翅翼設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005，24（3）：330-331.

[3]曾銳，昂海松.仿鳥(niǎo)復(fù)合振動(dòng)的撲翼氣動(dòng)分析[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，35（1）：6-12.

[4]孫茂，吳江浩.微型飛行器的仿生流體力學(xué)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2002，23（5）：385-386.

作者簡(jiǎn)介：孫澤江（1991-），男，沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士研究生，主要從事仿生撲翼飛行器的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣動(dòng)力分析等方面的研究。

郝永平（1960-），男，工學(xué)博士，沈陽(yáng)理工大學(xué)教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事CAD/CAM集成一體化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）等方面的研究。

李倫（1989-），男，沈陽(yáng)理工大學(xué)碩士研究生，主要從事仿生復(fù)眼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、成像分析、復(fù)眼圖形處理等方面的研究。