无孔不入的侦察利器——微型扑翼飞行器盘点(美国篇)

发布时间:2023-10-15 作者:超级管理员 来源:B站 天乘Engineer 浏览量(550) 点赞(123)
摘要:1. 引言 新版《沙丘》的上映引燃了科幻迷们对仿生扑翼飞行器的热议。《沙丘》设定在遥远的未来,天赋异禀的少年保罗·厄崔迪被命运指引,为了保卫自己的家族和人民,决心前往浩瀚宇宙间最危险的星球。片中最大的亮点应该是一种长得像蜻蜓的扑翼机,八片叶子张开又收缩的样子,完美贴合人们对于科

1. 引言


       新版《沙丘》的上映引燃了科幻迷们对仿生扑翼飞行器的热议。《沙丘》设定在遥远的未来,天赋异禀的少年保罗·厄崔迪被命运指引,为了保卫自己的家族和人民,决心前往浩瀚宇宙间最危险的星球。片中最大的亮点应该是一种长得像蜻蜓的扑翼机,八片叶子张开又收缩的样子,完美贴合人们对于科幻的想象。电影中的这种蜻蜓式扑翼机,飞行时机翼展开后可像蜻蜓翅膀那样进行高频振动,以此产生动力,也可收起机翼做自由落体式俯冲,重新打开的瞬间又能获得动力。该设定让这种飞机拥有无与伦比的机动性。

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电影《沙丘》中的扑翼机

       那么我们不禁想问,不久的将来,人类可以制造出这种仿生扑翼飞行器吗?


       诚然,固定翼飞行器虽然满足了人类高空飞行的梦想,但其实人类一直没有放弃对扑翼飞行器的设计与改进。500多年前,达芬奇就设计了一款人力扑翼装置,达芬奇式扑翼飞行机器人图纸是流传至今的最早的相关设计图纸,同时他还记录了对鸟类各种运动的观察以及给出了相应的解释。所以,可以说人类的飞天梦想就是从模仿鸟类的扑翼飞行器开始的。

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脑洞大师达芬奇设计的扑翼飞行器

       自上世纪90年代开始,由于各大国军备竞赛常态化,对于各类先进无人机的研发及应用进入了高潮阶段。自90年代美国DARPA首次提出“MAV”的概念以来,各大军火公司及科研单位均开展了有关工作,依托长期以来的项目经验及科研成果,日本、德国、美国等国家均取得了一定的研究进展。


       那么关于扑翼飞行器,本期就让我们先来摸一摸对岸鹰酱的羽毛下面,都有哪些宝贝。


2. 什么是扑翼飞行器


       扑翼飞行器,顾名思义,就是能像鸟类或者昆虫通过扑动翅膀飞行的飞行器。它不同于固定翼或旋翼飞行器,固定翼飞行器通过机翼上下表面的压力差提供升力,通过发动机提供推力,旋翼飞行器通过螺旋桨与空气的周期运动提供升力和推力,而扑翼飞行器则通过翅翼的下扑和上提产生斜上方的力来克服重力和阻力。它的主要特点是将升举、悬停和推进等功能集中于一对翅翼及其尾翼。


       由于扑翼飞行器的创新特点和独特优势,逐渐成为了航空领域的研究热点。相比于固定翼和旋翼飞行器,扑翼飞行器作为一种仿生飞行器,具有很多独特优势:


(1)迷惑性:扑翼飞行器的飞行动作几乎和鸟类一模一样,在空中飞行时很难将区分鸟类和扑翼飞行器,涂装羽毛颜色后更是栩栩如生。


(2)静音:固定翼和旋翼飞行器通过喷气发动机和螺旋桨产生动力,它们产生巨大的噪声。扑翼飞行器不使用螺旋桨及发动机,它通过无刷电机驱动齿轮转动,使翅翼上下扑动,使用舵机控制尾翼摇摆,几乎不产生噪音。


(3)轻盈:扑翼飞行器的动力单元少,一般包含1个小型无刷电机及2个微型舵机,机身骨架采用碳纤维材料,翼面采用涤纶材料,质量较轻。


(4)效率高:扑翼飞行器可以借助气流滑翔飞行,无需扑动翅翼,可以减少能量消耗。理论研究也表明,扑翼飞行器的效率比常规推进系统高,最高可达85%。


(5)适用于微型飞行器:空气动力学和仿生学研究表明,当翼展小于15cm时,低雷诺系数的扑翼飞行器相比固定翼和旋翼飞行器更具有优势。


3. 九十年代的技术起源


       微型扑翼飞行器(Flapping-wing Mav)作为一种以自然界中扑翼方式飞行的鸟类或昆虫为模仿对象的新概念飞行器,以其相对于固定翼或旋翼飞行器特有的重量轻、体积小、机动性强、飞行效率高、反侦查能力强等特点在军民领域具有广阔的发展前景,因而成为新的研究热点。微型扑翼飞行器的研制开始与上世纪90年代,得益于新型材料与能源技术、信息技术、微型机电技术及先进制造技术的快速发展,微型扑翼飞行器的发展也进入了黄金时期。


       1998年,加利福尼亚工学院和Aero Vironment公司设计出第一架扑翼飞行器“MicroBat”。该系列到今天已经发展到第四代,随着锂电池技术、MEMS 技术及新材料技术的发展,第四代飞行器的质量仅为11g,续航时间可达380s,并且在世界范围内首次实现直流电无线制遥控飞行。

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MicroBat I代至IV代样机

       同一时期,美国加州大学伯克利分校从1998年开始研究一种仿昆虫飞行的微型扑翼飞行器MFI(Micro mechanical Flying Insect)。MFI项目计划通过模仿绿头苍蝇,制作一种能实现自主飞行和复杂运动的微型飞行昆虫,飞行器目标参数是翼展25mm,翅膀拍打频率150Hz,质量100mg,利用压电陶瓷PZT驱动,双四杆机构传动,可实现翅膀上下拍动和扭转,同时利用太阳能锂电池提供能量,可实现短暂的无控制飞行。

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MFI微型机械昆虫飞行器


4. 新世纪的大发展


       如果说90年代的扑翼机技术只是华而不实的概念展示,那么步入21世纪之后,凭借材料科学、驱动技术、动力能源等配套产业的不断进步发展,微型扑翼飞行器在各项性能上都迎来了全面的进化。


       2016年,哈佛大学披露了他们研制的世界上尺寸最小的扑翼飞行器“Microrobotic Fly”,只有1美分硬币大小,质量轻达80mg,特征尺寸只有30mm,依靠交流电供电,扑翼频率为120Hz,与家中常见的果蝇相当。能够成功研制出如此小的飞行器,得益于新材料与先进加工技术的发展,“Microrobotic Fly”的动力源并非传统的直流电机或直流马达,而是一种压电材料,因此才能在交流电的作用下实现往复运动,因为舍去了传统机械中的传动部分,因此具有非常高的能源效率,为了进一步的减少质量并保证结构强度,机架的材料采用的是特殊处理过的碳纤维板,经过3D加工后,能够直接折叠出机架的形状。

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“Microrobotic Fly”样机

       2017年前后,美国TechJect公司同样研制出了性能卓越的仿生扑翼飞行器,获得美国国防部1000万资金的支持后,该公司研发出了仿蜻蜓扑翼飞行器“Robot Dragonfly”,在巨额资金及雄厚的技术积累的加持下,“Robot Dragonfly”的性能可谓十分优越,特征尺寸15cm,载荷质量仅6g,前后两对仿生翅翼能够实现灵活的飞行,具有较高的机动性,改造速度可达10m/s;薄膜状的仿生翅翼能够有效地降低飞行时产生的噪音,便于执行隐蔽任务,两对翅翼之间具有相当大的空间,可以配备各种特殊设备以满足不同的任务需求。

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“Robot Dragonfly”展示图

       和美国人穿一条裤子的英国佬也没闲着,2015年成立的英国仿生工程初创企业Animal Dynamics从蜻蜓的飞行方式上获取了灵感,着手研发一款带扑翼的微型飞行器Skeeter,同时获得了英国国防部防御科学技术实验室(DSTL)150万英镑的资金支持。Skeeter微型扑翼飞行器机身长度仅为12mm,包括摄像头、导航部件等在内,重量不足20g,最高飞行速度可达45km/h,受风向、风速等不同程度的影响,其续航时间大概在1小时以内。此外,Skeeter能够在关闭发动机后自主滑翔并着陆,这一优势使得其动力能得到大量的节省。

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英国Skeeter微型扑翼飞行器


5. 结语


       显而易见的是,仿生扑翼飞行器在国防和民用领域都具有极为广阔的应用前景。但其设计需要考虑诸多因素的影响,是一个多学科交叉融合的研究方向。在可预见的未来,老牌发达国家在仿生扑翼飞行器的诸多关键核心技术上还将会有进一步优化和提升,这不得不引起我们的重视与警觉。


       好在近十几年内,国内各大高校及研究院所已经开展了诸多研究项目,并积极布局相关产业链,虽然在设计和制造方面都和国外顶尖水平尚存一定的差距,但不可否认,我们正在经历一个激动人心的时代,这是一个从前卡住我们脖子的问题正在被逐一攻破的时代,一个民众对于打破西方技术封锁这样的爆炸性新闻已经见怪不怪的时代。相信在这个领域,我们同样能够有所建树,做出让西方刮目相看的成绩,让我们拭目以待。 作者:天乘Engineer https://www.bilibili.com/read/cv25365512/ 出处:bilibili

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