扑翼飞行器国内外研究状况

我爱飞机 2022年9月20日浏览：2118 收藏：3

作者：刘锦波，特立书院

背景知识

扑翼飞行器国内外研究状况的图2

扑翼飞行器背景介绍

扑翼飞行器，是指像鸟—样通过机翼主动运动产生升力和前行力的飞行器，又称振翼机。人们的飞天梦想就是从模仿鸟类的扑翼机开始的。扑翼机以它无需跑道、机械效率高等优点吸引了人们的注意，但由于目前对扑翼空气动力学研究不足、材料和结构研究较少等，发展尚不成熟。但正因为不够成熟，出现了政府、民间、专业、业余呈百家争鸣的局面。只要完成对几大难点的破解工作，扑翼飞行器的上天便指日可待了。

扑翼飞行器早期历史研究

人类对扑翼飞行器最早的创意可以追溯到古希腊工匠代达罗斯和他的儿子伊卡洛斯，而最早文字记载的扑翼飞行器出自《汉书·王莽传》。而最早符合现代工程学的扑翼飞行器设计图的出现则直到文艺复兴时期，由意大利画家达·芬奇模仿鸟类飞行而绘制的。1874年，法国科学家马雷以连续拍照的方式记录下了鸟类在扑翼时的复杂动作，以当时的技术水平是不可能完成的。

1878年伦敦博览会上，两架扑翼机首次获得展示。当时考夫曼设计的带有蒸汽机的扑翼机方案引起了人们的极大兴趣；英国人哈尔格莱夫制成了一架带有发动机的扑翼机实用模型；德国人李林塔尔研制的扑翼机上装了一台小型发动机，为人力提供辅助力量；他们的理论和实践成为扑翼机发展史上重要的里程碑。

早期人类对扑翼机的探索可谓不遗余力，但由于空气动力学、控制装置的研究尚不成熟，制作扑翼机的材料也比较单一，扑翼机的研究进展并不顺利。随着现代电子计算机、新型复合材料、控制技术等高科技领域的迅速发展，研制扑翼机也有了新的动力。

扑翼飞行器国外研究成果

进入21世纪，微型扑翼飞行器开始兴起。美国国防高级研究所（DARPA）十分重视这一领域，曾在1992年的未来军事技术研讨会上首次提出微型飞行器MAV(Micro Air Vehicle)的概念，其量级与小鸟相似：总重10-100g，有效载荷20g以上，翼展和长度小于152毫米，续航时间20-60分钟，飞行速度30-60km/h，具有实时成像、导航和通信的能力。此外还要求其造价低廉、便于携带、操作简单、伪装性能好、更重要的是要能完成一定的任务。

MAV在军用和民用上都有广泛的应用前景，所以各国纷纷把微型飞行器作为研究的热点。而在特征尺寸与鸟或昆虫的领域内，扑翼飞行器是要优于固定翼和旋翼飞行器的：

（1） 与固定翼和旋翼飞行器相比,扑翼飞行器的主要特点是将举升、悬停和推进功能集成于一个扑翼系统,依靠扑翼运动方式的改变可以快速有效地改变飞行器的姿态,具有较强的机动性与灵活性。

（2） 扑翼飞行器的扑翼可以在水平位置锁定,在高空进行翱翔以利用势能,故比起直升机螺旋桨必须不停旋转来说可以节省能量。同时扑翼产生推力的效率高,可用很小的能量进行长距离飞行,更适于在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。

正是由于扑翼机在微型尺度上的优势，国外也开始对扑翼机重视起来，如佐治亚大学、加州理工学院、日本的东京大学等都先后进行自己的研究。

佐治亚理工学院研制了一种仿昆虫微型扑翼飞行器“Entomopter”,其机翼与蝴蝶翅膀类似，有特殊的结构和材料制成，以往复式化学肌肉（Reciprocating Chemical Muscle,RCM）驱动。RCM由该学院的罗伯特·迈克尔逊发明，可以直接将化学能转变为机械运动（即无需通过燃烧反应），且能量转换效率较高。“Entomopter”利用化学能源的驱动力来拍打机翼并供给机载系统功率。化学反应的废气能用于滚转控制差动增升，润滑运动零件以及产生高能发射进行测距支持、高度测量和障碍回避。“Entomopter”重约50g，载重约10g，功率为1-2W，有两对前后串联的扑翼，既可以飞行，也能在地面上移动。

1998年10月，Aerovironment公司，UCLA与加州理工学院联合研究了一种MAV“Microbat”，由加州理工学院戴聿昌(Yu-Chong Tai)教授领导的研究小组主导研究工作。它的翼展约为15cm(6英寸)，扑翼的频率约每秒20次，重7.5g。首架原型机仅能持续飞行9秒，而2001年底已经提高到6分17秒。对非定常空气动力学特性研究做出了卓越贡献。这也是至今为止文献公开报道的、有技术细节的、可以持续飞行的扑翼型MAV。

东京大学研究了一种在交变磁场中移动的扑翼飞行器，翅膀由聚酰亚胺和镍制成。该飞行器进入交变磁场后，翅膀上的镍会带动翅膀上下扑动。该飞行器只有几毫米大,首次将微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）与昆虫飞行原理结合到一起，为MEMS在微型飞行器上的应用提供了经验。

在微型扑翼飞行器MAV高速发展的同时，传统的载人扑翼飞行器也有所发展。加拿大教授德拉里尔教授于1996年开始研究扑翼机，并在2001年成功制成了无人驾驶扑翼机，于次年完成了载人扑翼机的研制，但性能很差，只能跳几次。直到2006年7月8日，完成了首次有人驾驶扑翼机的离地并维持飞行。这架扑翼机空重约760磅，最大起飞重量350千克，在达到大约80km/h的速度时，扑翼频率为1赫兹，在距离地面1米左右的高度上平飞了10秒，总飞行距离330米，留空时间14秒。虽然该试驾机在该次实验中最终因左翼触地，机头着地并旋转而未圆满完成飞行任务，但仍为扑翼机技术上的一大进步。

扑翼飞行器国内研究成果

国内对于扑翼飞行器的研究起步较晚、成果较少，但国内的扑翼机的研究制作发展势头很好，目前已有多家高等院校和科研机构开展了对扑翼机的研究工作。

清华大学的于婷、王文渊将实际的生物模型简化，得到了扑翼模型，并以此为基础构造了神经网络控制方案。该模型是研究扑翼机结构的标准。虽然方案尚不完善，还不能直接解决复杂的实际问题，但为后续的研究打下了基础。

南京航天航空大学在2004年研制出了国内第一架能在空中悬浮飞行的扑翼飞行器。2013年，南京航天航空大学的黄鸣阳成功做出了国内首架仿生海鸥扑翼飞行器，也是我国大型仿生飞行器领域中少有的成功实践。

东南大学的于冰、王姝歆等学者已就仿生扑翼飞行机构和机理分析，控制方案，仿生翅运动系统和扑翼气动特性进行了研究。并与扬州大学建立了联合实验测试平台进行共同攻关和探讨，并取得初步成效。

除此之外，西北工业大学、上海交通大学等也在研究微型扑翼飞行器。目前已经完成了翼展50-60mm的电驱动扑翼飞行器的制作，并通过了低速风洞试验。但是，无论是国内还是国外，当下的扑翼飞行器基本还处于实验研究阶段，不能完成复杂的实际任务，没有到达实用阶段

国内目前对微型扑翼飞行器的攻关主要集中在以下几个重点领域：空气动力学基础（尤其是非定常空气动力学）、飞行动力和能源问题、翼型和材料、通信和控制系统。只有在以上几个领域中取得突破，我们才能发挥扑翼机在军事和民用上的用途，使之真正成为一种实用的飞行器。

值得一提的是，虽然目前在全世界范围内，扑翼飞行器的理论研究还处于比较低级的阶段，但这并不意味着扑翼飞行器只在实验室中才能见到。相反，作为儿童玩具出现的扑翼机十分普遍，甚至在普通商店中即可购买到。也就是说，虽然扑翼机在复杂的军事或高级民用方面尚显稚嫩，但已经可以满足普通的娱乐需要，一旦扑翼机的某项关建技术被攻克，便可以迅速地将其运用到实际生产上。从这一点来看，扑翼飞行器的前景可谓十分光明。

未来•发展方向

扑翼飞行器未来发展方向

扑翼机的发展趋势与其具体用途是分不开的，而扑翼机最有价值的领域在军用和民用上的体现分别是情报活动和日常出行。

微型扑翼机成功研发完成后，可以给其加装摄像机和窃听器，利用其体积小，不易被发现的优点潜入敌国进行情报的获取。普通的固定翼或旋翼飞行器在飞行时会造成较大的声音，且耗油量大，而扑翼机飞行时则更加隐蔽，不易引起敌方察觉，且侦查时间更为持久。

扑翼机还有一个显著的用途——模仿鸟类直接对敌方发起打击。这种打击分为两种：（1）在扑翼机上通过改变外形、喷涂隐身材料达到对敌方雷达隐形的效果，进而“假装”鸟类混入敌境，然后对敌方关建设施进行打击。（2）众所周知，现代的喷气式飞机其发动机极为脆弱，在起飞过程中，即使是一只鸟与飞机相撞也会导致飞机坠毁，称为“鸟击”。我们可以将一批扑翼机埋伏在对面机场附近，在敌机起飞降落的时候突然袭击，直接撞向其发动机，以达到损毁效果。更不必说微型飞行器MAV在情报窃取、暗杀、关建设备破坏等领域的天然优势。

在民用方向，扑翼机则可能更多的应用在日常的交通出行上。与传统的固定翼飞机相比，扑翼机的优势是无需起飞滑落的跑道场地；与旋翼飞机（直升机等）相比，扑翼机的优势在于省燃料且噪声小。至少在目前的科技条件下，固定翼飞机和旋翼飞机具有难以克服的成本高、灵活度差等缺点，尚不能承担普通生活中的日常出行和小规模活动的需要，这也是下文中不能成为能取代现有交通工具的原因。扑翼机未来的发展方向不应该朝取代家用轿车和普通客机，而是向公交车和自行车的方向发展——大型的扑翼机可以作为公共交通工具的一环，环绕城区运输人员和物资，大部分中小型城市修建地铁不划算，仅靠公交车又无法满足需要，此时便可以用到大型扑翼机了，显然，扑翼机的成本远远低于地铁，而灵活性则高于地铁，故扑翼机在成为普通公共交通工具上是有其优势的；还有就是个人日常出行时可以使用的小型便携式扑翼机，就如同目前的日用自行车一样，短距离、低载荷、高速度，扑翼机强于自行车的优势在于其高速和高空，加快速度缩短距离，用时更短，且无需跑道等必要起飞设施，故在日常出行领域有巨大的发展空间。在解决了大型扑翼机空中悬停和快速转弯等方面的技术问题后，扑翼机甚至可能取代家用轿车的地位：天空上空间更大，没有堵车的困扰，相撞的概率也比地上大大减小，把地面上的空间更多的留给行人，多余的空间更是能缓解城市用地荒的问题。在未来，建设新型的“立体城市”“天空城市”时，扑翼机会发挥出巨大的作用。

虽然扑翼机有着广泛的潜在应用空间，但还需要进行长期的发展才能满足未来的巨大需要。

首先，非定常型空气动力学必须要有巨大的发展。 扑翼机在进行扑翼飞行时，其机翼周围的气流变化是极其复杂的。虽然传统的固定翼飞机其机翼附近的气流变化也很复杂，但毕竟不需要考虑机翼与机身相对运动带来的气流变化，而扑翼机在整个扑翼周期中，既有着前进时的空气阻力带来的气流，也有着扑翼相对空气运动带来的扰乱气流。除了普通飞机迎风面对飞行器气动属性的影响外，扑翼机前进的速度和扑翼的扑动速度、角度、运动轨迹都会影响其气动属性，这也给研究扑翼机气动结构带来了巨大的困难。目前还未解决的难题包括翼的非定常运动、翼的弦向和展向的弯扭变形、开裂式翼尖、锯齿状后缘【6】等。扑翼机想发展，必须解决非定常空气动力学和高升力机制的问题。

其次，材料学也需要有所发展。 现代飞机属性的提高主要就是由材料和航电系统的发展带来的。扑翼机的机翼要承受极其复杂的气流冲击，对其材料的强度、韧性、延展度等都有所要求。目前的材料还不足以满足需要，需要继续发展。

然后是高效的能源与动力系统。 这也是目前几乎所有主流载具面临的共同问题。扑翼运动时受到的空气阻力是时刻变化的，这也对扑翼机的动力系统提出了更高的要求。

其四是扑翼飞行器的控制策略和控制系统。 目前扑翼机还没有一种可以明显服众的控制系统设计。是仅靠扑翼完成变向和推进还是靠尾翼辅助调节，是一对扑翼还是多对扑翼，是整翼扑动还是部分翼扑动都还存在争议（最后一项目前已经基本统一意见了，部分翼扑动明显优于整翼扑动）。还需要大量的实验和测试来确定哪种控制方案更符合需求。

对于MAV来说，困难还有一项。飞行器的气动力很小，但干扰力(电机震颤、本身惯性等)很大，几乎与气动力是一个量级，很大地干扰了飞行器的正常飞行。这一问题困扰着各国科学家，目前进展很小。

因为扑翼机发展时间短，扑翼机的风洞试验方法目前也很不完善。风洞试验可以为设计提供可靠的原始数据，也可以验证理论和方法的可行性。

最后是扑翼机的设计。目前国内对扑翼机的设计主要是由扑翼机的爱好者完成的，他们相比于专业的飞行器设计师明显缺乏设计经验，其成品也常常具有一些缺陷。目前已有部分高等院校和科研机构开始了对扑翼机的研发工作，相信在不久的未来我们可以看到更多优秀的扑翼机作品。

未来的扑翼机发展方向首先一定会先朝着微型化发展，MAV是所有侦查手段的发展方向之一，而扑翼机在MAV领域具有其他飞行器不能比拟的优势，而MAV的军事意义十分重大。众所周知，最先进的技术一定是先应用到军事上，国家现在又对军队加大了投入，故扑翼机未来的突破一定是在军用MAV的方向。

微型化完成以后其发展应该是仿生化，随着对各种昆虫和鸟类的研究不断深入，仿生学上的进步一定会影响到工程学上。与传统的固定翼飞机想比，与鸟类飞行方式更为相似的扑翼机明显更容易运用到仿生学技术。自然界里的大部分飞行生物，其推重比和机动性都要远远高于目前人类所研发的一切飞行器，这是一座还未开发的宝藏。仿生学的研究结果可以极大的减少飞行器燃料消耗和能量浪费。

仿生化成功后，扑翼机的前进方向应该是载人化。低消耗的扑翼飞行器甚至可以取代家用轿车的地位。到了那一天，人类就可以真正实现“空中都市”。

综上所述，扑翼飞行器具有极其广泛的应用前景，但也有许多尚待解决的难题。但是，我相信扑翼机一定会有光明的未来。

感想•建议

感谢老师在这么长的时间里对我们的悉心教导。在整个教学过程中，老师跟我们展示了大量国际上先进的武器装备，着实开阔了我们的眼界，我们真正见识到了国际上不同国家的武器装备，也看到了我国国防事业的闪光点和不足点。在主要课程中，老师耐心地讲述了各个部件的作用和工作原理。比如说，修这门课前，我对陀螺仪的工作原理困惑不已，但在老师深入浅出的讲解后，终于明白了它是如何自我稳定的。

来源：北理工飞行器控制系统实验室