仿生撲翼飛行器設計新進展

摘 要：仿生撲翼飛行器是一種新型飛行器，其體積小、重量輕、隱蔽性好等特點在軍事領域和民用領域受到廣泛關注。文章綜述了仿生撲翼飛行器的結構分類和升力產生機理，總結國內外研究的理論成果，并介紹現階段研究所面臨的困難，闡述仿生撲翼飛行器的發展前景。

關鍵詞：仿生撲翼飛行器；仿生學；結構設計

1 概述

仿生撲翼飛行器是將推進、爬升和懸停集于一個撲翼系統的新型飛行器。近年來，國內外專家著手于仿生撲翼飛行器飛行的姿態、空氣動力學和能量轉換等方面的研究，雖然取得了階段性的成果，仍面臨許多問題[1]。隨后將按照分類與布局、獲取升力原理、研究成果和面臨問題的順序對撲翼飛行器國內外現狀進行總結。

2 撲翼的分類

國內外設計的撲翼飛行器主要有單對和雙對兩種驅動形式。單對撲翼飛行器采用曲柄搖桿機構或壓電材料驅動，可實現翅膀的怕打與扭轉。機翼設計成仿生骨架結構，采用碳纖維材料制成，再在骨架上粘貼仿生翼膜，形成類似蝙蝠翅膀的仿生翼。這種仿生翼具有很高的強度和韌性有更高的橫向穩定性。

雙對撲翼飛行器是采用化學肌肉材料設計的一種仿生飛行器?？山柚鶰EMS技術使飛行器尺寸微小化，其獨特的飛行方式能夠實現快速啟動、長時間飛行和懸停，同時可以保持翅膀不動滑行一段距離，大大減少了能源的使用[2]。

3 撲翼產生升力的原理

3.1 Weis-Fogh機制

1973年，Weis-Fogh研究發現小黃蜂在起飛前兩翅前緣相互靠攏然后迅速打開，此時在兩翅中間形成低壓腔，將周圍空氣快速吸入，在翅膀周圍形成漩渦。該漩渦附著在翼尖附近不脫落，給昆蟲向上舉升的力，從而產生瞬時高升力。隨后他又將這一現象從理論和實驗角度進行分析，最終證明此現象為撲翼飛行產生升力的主要原因之一[3]。

3.2 延時失速效應

1997年，英國劍橋大學的Ellington在空氣流場中放入飛蛾的翅膀模型，模擬飛蛾的飛行姿態[4]。實驗發現撲翼下拍時在翅膀前緣產生一個強烈的前緣渦，使靠近前緣上表面形成低壓區，上下翅面產生壓強差，大大提高飛行所需升力。隨后Ellington又發現翅膀表面產生一展向流動，使前緣渦在形成后緊貼翅膀表面，隨著迎角的增大，保證前緣渦不發生脫落造成失速。經試驗和理論證明后，將這一現象命名為“延時失速效應”。

3.3 尾跡捕獲機制Wake Capture

1999年，美國加州大學的Michael Dickinson等人在Ellington研究的基礎上將一對果蠅的翅膀模型放入到研究氣動力的油液中。試驗發現翅膀在一個撲動周期內發生兩次扭轉，每次扭轉翅膀都會以相反的方向遇到前一個行程產生的氣流擾動，這使得翅膀與空氣的相對速度增加，增加了飛行時的額外動力，此現象后被命名為“尾跡捕獲“。

4 仿生撲翼飛行器的新進展

1998年，加州理工學院和加利福尼亞大學微機械研究實驗室聯合研制了微型蝙蝠“Micro Bat”，是一種最早由微型電機和精密機械機構傳動的仿生物飛行的電動撲翼飛行器，該機身骨架和機翼采用新型超強復合材料，翼型仿照蝙蝠和昆蟲的翅膀制作，采用MEMS技術加工制成，可實現短時間的飛行和完成簡單的飛行動作。

2013年，Festo公司研制的仿生蜻蜓BionicOpter可以向各個方向飛行，為了控制共有的振翅頻率和各翅膀的扭轉，在四個翅膀的每一個上都采用了振幅控制器，翅膀的扭轉決定著推力方向。通過振幅控制器，推力的大小能夠得到調節。高度集成的輕量結構設計實現獨特飛行特性，無論是感應器、執行元件和傳動機構等部件，還是控制和調節技術裝備，其安裝空間緊湊并相互配合。BionicOpter翼展有63cm、身長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ARM處理器、九個伺服電動機、電池和無線接收器等。每只翅膀都有一個獨立的振幅控制器，它們會協調地轉動和擺動使到 BionicOpter 能夠飛向任何方向，甚至是定點懸浮。

5 研究的關鍵性問題

撲翼驅動機構是微型撲翼飛行器撲翼系統的關鍵所在，其性能的好壞直接關系到翅翼的運動形式、氣動力的產生以及能量的利用效率，傳統的機械結構簡單不能完全模仿昆蟲的飛行姿態靈活性較差，如何合理設計撲翼飛行器的新型驅動機構是目前面臨的主要問題。

現階段的飛行器樣機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，同時不能很好的為飛行器提供動力，隨著技術發展要求對能源的質量及功率等方面進行深入研究。

撲翼飛行器的控制方式與傳統的固定翼控制不同，其飛行姿態依靠改變撲翼運動方式和尾翼的配合共同完成，關鍵包括輔助與自主飛行控制基礎理論和技術問題，飛行數據采集和控制元件的設計及方案實施，將各個控制器件、導航和信息接收集成化也是仿生撲翼飛行器設計的主要研究問題。

6 結束語

仿生撲翼飛行器的研究涉及空氣動力學、仿生學和結構設計學科，近年來國內外學者進行大量的理論分析和實驗研究，初步掌握了撲翼飛行器的理論知識，但要想真正實現模仿昆蟲的飛行姿態仍然需要進一步的努力，突破目前所面臨的難點。隨著微機電系統技術的成熟，未來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用到軍事和民用領域，它所帶來經濟效益和社會作用將是不可估量的。

參考文獻

[1]劉嵐，方宗德.微型撲翼飛行器的升力風洞實驗[J].航空動力學報，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計與優化[J].機械科學與技術，2005，24（3）：330-331.

[3]曾銳，昂海松.仿鳥復合振動的撲翼氣動分析[J].南京航空航天大學學報，2003，35（1）：6-12.

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

作者簡介：孫澤江（1991-），男，沈陽理工大學碩士研究生，主要從事仿生撲翼飛行器的機構設計、氣動力分析等方面的研究。

郝永平（1960-），男，工學博士，沈陽理工大學教授，博士研究生導師，主要從事CAD/CAM集成一體化技術、網絡協同設計與制造技術、微電子機械系統（MEMS）等方面的研究。

李倫（1989-），男，沈陽理工大學碩士研究生，主要從事仿生復眼結構設計、成像分析、復眼圖形處理等方面的研究。