仿蝴蝶扑翼飞行器:研究进展、挑战与未来发展

以昆虫为灵感设计的仿生扑翼飞行器在近三十余年来的时间里发展迅速,而蝴蝶作为众多昆虫中极富特色的一种也得到了许多研究者的关注。国内外以蝴蝶为研究对象进行了许多的仿生学研究和仿生飞行器研制,尤其是近十年来仿蝴蝶扑翼飞行器的设计与制造取得了较大的进展。对这一热点领域的研究进行了综述。首先从仿蝴蝶扑翼飞行器(BIFAV)的升力机制研究、结构设计与制造以及驱动与控制方面,综述近年来所取得的研究成果;其次指出仿蝴蝶扑翼飞行器目前在大小尺度、飞行灵活性、续航时间、控制鲁棒性以及仿生的逼真性方面仍然存在研究挑战;最终表明其未来的研究将朝着更小的尺寸、更灵活的飞行与更可靠的控制、更高的仿生程度等方向进一步完善。     

甲虫后翅及其FWMAV可折叠翼仿生研究

对将甲虫后翅的研究应用于FWMAV仿生可折叠翼研制的前沿交叉领域进行了综合评述,并对其未来研究进行了展望。首先分析了甲虫后翅结构及其材料力学性能;其次讨论了后翅结构对其静力学和动力学性能的影响;然后概括了基于甲虫后翅建立的仿生翼及其力学特性研究现状;最后对仿生可折叠翼力学性能的研究做出了总结并对其重点研究方向给出建议。综述表明:甲虫后翅的不同单元具有各异的力学性能,其不同结构可影响静力学和动力学特性;依据后翅制造的可折叠柔性翼具有明显的尺寸优势,既有助于双翼产生高升力,又可抵抗部分耦合冲击以提高飞行稳定性。未来以甲虫后翅为仿生原型研制适用于FWMAV的可折叠柔性翼,应着眼于柔性翼骨架结构和机翼翼膜材料属性的各向异性,以期制造出可折叠、易扭转、高弹性的微飞行器机翼。     

基于雁阵变换的微型扑翼飞行机器人集群行为控制方法

为了解决微型扑翼飞行机器人集群编队目标搜索覆盖效率、避障通过性和多机控制等难题,实现扑翼飞行机器人集群编队的智能控制,提出了基于雁阵变换的扑翼飞行机器人集群行为控制方法。利用仿生集群行为控制函数的参数化特性,实现了飞行机器人编队的队形变换和角度控制;搭建了多扑翼飞行机器人实验系统,并在多种情况下设计基于仿生行为的多扑翼飞行机器人集群控制方法实验。最终的实验结果验证了方法的可行性和有效性。与传统的多飞行机器人实时控制方法相比,所提方法大幅提升了集群编队的搜索覆盖效率和避障通过率,在某些作业环境条件下,搜索覆盖率可提升50%以上,障碍通过率可提升60%以上。同时,创新点体现在将雁阵变换应用于多扑翼飞行机器人集群编队控制和将仿生集群行为控制应用于扑翼飞行机器人集群控制两个方面。     

基于CFD仿真的扑动模式对扑翼气动性能影响研究

为了研究扑翼运动模式对气动性能的影响,基于CFD软件建立了一种多自由度扑翼气动性能计算模型。首先,结合翅翼的仿生外形建立了三维仿生扑翼模型,通过编写用户自定义函数(UDF)定义了翅翼的多自由度扑翼气动函数,在此基础上,运用CFD软件对不同自由度运动模式下翅翼的升力和推力系数进行计算;最后,结合翅翼表面的压力云图和涡结构变化揭示了运动模式对三维扑翼的气动力影响特征。结果表明：在扑翼迎风水平前飞时,扭转运动加快了翅翼尾缘涡的脱落进程,增强了尾缘涡的的强度,使扑翼的升力在数值上提升了0.25倍,推力系数则提升了4.69倍;水平挥摆运动会进一步增大尾缘涡的强度和形状,显著提高了扑翼的推力性能,并且当水平运动频率调控参数k=2时,扑翼的升力和推力性能会得到进一步提高。     

突风扰动下的扑翼气动功耗和效率变化

针对突风对扑翼飞行器气动性能的影响,开展了前向、侧向和竖直方向突风中扑翼的气动功耗和效率变化研究。首先基于简化的生物翅几何和运动模型,构建了不同方向、强度的突风模型。之后采用计算流体力学方法获得了突风方向及强度对扑翼气动力、功耗及效率的影响。最终结果表明,在所研究的突风强度范围内,前向突风引起的扑翼瞬时气动功耗增幅可达33%,但突风对扑翼平均气动功耗和效率的影响不大;从翼根到翼尖的侧向突风相比反方向的侧向突风所引起的气动功耗增加和气动效率降低更加明显;向下的突风尽管能够降低扑翼的气动功耗,但也同时降低了扑翼的气动效率。此外,突风对扑翼平均气动功耗的影响可以用与突风方向相同、大小等于突风平均速度的定常来流进行模拟,它们对扑翼平均气动功耗的影响是相近的。     

地效飞行器的空气动力学原理

空气动力地效飞行器(如地效飞机、冲翼艇、依靠地面效应进行远距离飞行的飞机等)获得所需要的升力,除了借助飞机机翼获得升力的一般原理外,还巧妙地利用了地面效应原理。当有翼飞行器在做近地(高度小于两倍翼弦长度) 的水平飞行时,其气动特性与在中高空飞行时是不一样的。由于地面的存在,改     

微型飞行器飞行控制问题研究进展

微型飞行器(MAV)是飞行器的一个新兴发展方向,其飞行控制问题是MAV研究中最具挑战性的关键技术问题。对MAV飞行控制系统的结构及其特点进行了归纳和评述,分析了国内外MAV飞行控制系统的研究现状,对其中的一些关键技术问题进行了讨论,包括飞行控制方案、机载传感器、控制算法以及控制器设计方法等内容。     

编队飞行气动减阻原理的模拟研究

编队飞行是自然界中普遍存在的一种飞行方式,前方飞行器或者鸟类利用拖出的尾涡来提高后方飞行器或者鸟类的非定常升力,并降低诱导阻力,这主要得益于速度矢量方向相反的翼尖涡的有利干扰及耗散,从而达到较高的飞行效率。本文运用流场分析工具,通过对编队飞行过程中翼尖涡的有利干扰进行分析研究,初步探究编队飞行的气动减阻特性。     

地效飞行器:未来的两栖攻击平台

什么是地效飞行器地效飞行器,也称作飞翼船、地效翼艇,它利用地(水)面效应和动力增升原理,在地效区里飞行,使升阻比增加,气动效率大大提高,是介于飞机、舰船和气垫船之间的一种新型高速飞行器。地(水)面效应简称“地效”。当飞行器在接近地(水)面飞行以及在起飞和着陆(水)过程中,由于地(水)面与机翼下方的空气相互作用,在机翼下方产生气垫,环绕在机翼四周的气流发生改变,使飞行器升力增加,阻力减小,导致升阻比(升力与阻力之比)增大。     

自旋三旋翼飞行器的概念设计研究

根据未来无人机发展的需求,提出了自旋的飞行方式,并设计了一款结构高度简化的自旋三旋翼飞行器。自旋三旋翼飞行器在飞行过程中,由于旋翼同向旋转产生的扭矩带动机身朝反方向自旋,在机翼处产生额外的升力,同时获得更好的稳定性。介绍了自旋三旋翼飞行器的概念设计,对自旋飞行的原理进行基本阐述,论证了其可行性,并基于此提出一种五自由度自旋飞行的控制方法,展望了其可能的应用场景。     

高超声速伸缩翼变形飞行器轨迹多目标优化

针对高超声速条件下变形技术的应用模式,对具有伸缩翼的组合式飞行器滑翔弹道进行了多目标优化研究。介绍了伸缩翼的变形模式,给出了不同变形状态下的气动特性;建立了三自由度滑翔轨迹动力学模型和伸缩翼前缘热流计算模型;采用MOEA/D多目标优化算法,以变形条件和飞行攻角为设计变量、以最大射程和最小翼前缘总吸热量为目标函数,进行了多目标优化计算。优化结果表明,MOEA/D计算得到了相对均匀分布的Pareto最优解集,将伸缩翼外形与无变形外形相比,飞行器滑翔段射程得到了显著提高,同时伸缩翼前缘总吸热量有明显的降低。     

动物飞行控制技术在军事中的应用

半机械动物飞行器代表了微型飞行器的未来方向。文中对动物飞行控制技术仅作简要介绍,对半机械动物飞行器在军事领域中的应用价值和应用前景作了重点讨论．综述了近年来动物飞行控制技术的重要研究动态,结合甲虫机器人介绍了本实验室的近期研究成果。最后,基于动物飞行控制技术的研究瓶颈给出了动物飞行控制技术未来的研究方向。     

仿生扑翼UUV的研究进展及关键技术

针对当前无人水下航行器低速下近目标作业能力较差的问题,人们开始了对仿生扑翼推进方式的探索研究,仿生扑翼UUV应运而生.简要介绍了仿生扑翼UUV的概念、特点及其应用,综述了仿生扑翼UUV的国内外研究成果及现状.在此基础上对仿生扑翼UUV的研制所面临的一些关键技术进行了讨论,并结合目前的研究情况,展望了仿生扑翼UUV的未来...     

飞行控制系统的重构技术研究

飞行控制系统的重构技术可以有效地提高飞行器的生存能力和任务效能,已成为现代飞行器综合设计领域的热门研究专题之一.介绍了飞控系统重构技术的发展历史及现状,对目前几种重要的飞行控制系统重构方法进行了概述和分析,总结了飞控系统重构技术领域里的一些热点问题,最后展望了未来飞控系统重构技术的发展趋势.     

小型电动垂直起降飞行器推进系统性能分析

小型电动垂直起降飞行器的悬停续航性能取决于推进系统的性能。基于电池、电机、电调的质量模型和螺旋桨的推力-功耗关系,利用电池的恒流放电模型建立了垂直起降飞行器的续航时间评估模型,分析了推进系统参数和有效载荷对飞行器续航性能的影响规律,研究结论可用于电动垂直起降飞行器的总体设计和推进系统选型。     

微型飞行器气动布局及关键技术研究

在低雷诺数条件下,小尺度微型飞行器的有效飞行问题仍面临许多挑战。介绍了微型飞行器的主要特征和典型布局形式,分析了微型飞行器发展所需的关键技术和面临的技术挑战,提出了开展我国微型飞行器研究的建议及可借鉴的国外经验。     

基于光流传感器的四旋翼飞行器悬停校正

由于低成本的惯性测量单元存在较大漂移,四旋翼飞行器难以稳定地悬停在固定区域,基于此,提出了一种基于光流传感器的四旋翼飞行器悬停校正方法。将光流传感器安装在四旋翼飞行器底部,利用光流信息检测四旋翼飞行器相对地面的水平移动速度,对姿态估计进行补偿,实现悬停校正。试验结果表明:该方法能够有效地提高四旋翼飞行器的悬停稳定性,从而保证飞行器能够执行战场侦察、校正射击、干扰敌人等多种军事任务。     

腾飞的“竹蜻蜓”——武装直升机发展漫谈

武装直升机是指依靠发动机带动旋翼产生升力和推进力并能够作战的航空兵器,它能垂直起落、空中悬停、原地转弯,并能前飞、后飞、侧飞;能在野外场地垂直起飞和着陆,不需要专门的机场和跑道;能贴近地面飞行和长时间悬停,超越障碍,或利用地形地物隐蔽活动;能吊运体积大的武器装备,不受本身容积的限制。尽管与固定翼战斗机相比,     

无人飞行器自主决策与规划技术综述

面向未来高动态、强对抗、强拒止的作战环境,智能化水平成为制约无人飞行器执行任务能力、环境适应能力和作战效能提升的主要因素。围绕无人飞行器自主决策与规划技术这一难度高、发展快、前景广的研究方向,综述了自主决策与规划技术的主要研究成果以及未来发展方向：首先,结合无人飞行器的发展研究历程与现状,指出了开展自主决策与规划技术研究的必要性;其次,对当前自主决策与规划技术的研究成果进行了总结与分析;最后,对无人飞行器自主决策与规划技术的发展方向进行了展望。     

武装直升机史话(连载) 一、最初的履历表

直升机的英文词 Helicopter,来自雷奥那多螺旋桨翼。事情是在1490年,英国人雷奥那多·文西设计了一个用木架和浆过的亚麻布制成的飞行器,叫螺旋桨翼,它的动力是个弹簧机构。他设想这个飞行器能借直接旋转自身而垂直升空,可惜没有结果。1907年9月,勃兰葛特—理查特用一台奥托循环原理发动机制成一架自转旋翼机飞行器,进行了一次成功的垂直飞行,只是没有控制和操纵装置,难以自由飞翔。同年11月,保罗·科尔涅驾驶他创制的“飞行自行车”在0.3米的高度上飞行了20个小时,实现了人类第一