概述 模拟鸟类飞行时人类长久以来的梦想，鸟类的飞行技巧比现有的固定翼飞机要轻巧和高效许多，基于仿生学原理的扑翼机和常规飞机相比，仅用一套扑翼系统就既可代替螺旋桨或着喷气式发动机提供推力，又可以起到升力面和控制面的作用，因而有潜力简化结构并降低飞机重量。从现有对于鸟类和昆虫的研究资料表明，扑翼飞行低速飞行时所需要的功率和普通飞机相比要小得多，并具有优异的垂直或短距起落能力。 未来国内将要开放低空领域，这对于在通用航空而言，是个难得的发展机遇。可以想见，小型私人飞机有可能得到广泛的普及。假如具备垂直起降能力，大大降低对于机场的依赖，将更具发展潜力。 专家认为目前研制扑翼机的主要技术难点包括：1 非定常气动力和高升力机制；2 高效动力、能源系统；3轻质高强材料、结构和优化设计；4 主动柔性翼技术。展望未来20-50年的科技发展趋势，上述技术难点有望取得突破。为此本人设计一套可载人的高效扑翼系统，其具体设计参数如下 起飞总重: 320Kg 最大载重: 160kg 机长: 10m 机高: 2m 翼展: 最大16m 扑动频率: ≤35Hz 巡航速度: 450km/h 航程 : 1000km 实用升限：5000m 乘员 1-2人 地面停放场地面积： 10m×3m 一、飞行原理 飞机为垂直起降，并可在空中悬停，当在地面起飞时，扑翼平伸，类似于直升机的旋翼，在水平面内大角度来回挥舞，以此产生向上的升力，当挥舞速度足够快时，即可起飞。前后机翼的挥舞方向正好相反，从而抵消水平面内的力，保持飞机稳定。在悬停以及着陆时飞行模式相同。机翼挥舞的示意图如下： 当向前飞行时，机翼的升力来源包括两个，一是在机翼下扑和上扑中的迎角、速度、机翼形状是不相同的，在下扑时产生的向上的气动力要大于上扑过程，两力的差即为升力；二是基于定常空气动力学理论，机翼本身有翼型和迎角，机翼相对空气总是有向前的速度，因此也会产生一个升力。上述两升力的和即为总升力。 机翼为主动柔性设计，在扑动中前后缘的迎角不同，在后缘类似于漏斗，会有空气加速向后排出，从而产生向前的推力，另外机翼扑动角度可以扭转，并产生沿机身轴线方向的推力分量。 飞机采用两套扑翼，在飞行中前后翼协调扑动，两套机翼的扑动规律可以不同，避免机身上一个扑动周期内升力变化过大，保证飞行稳定和乘员的舒适度，同时后翼通过俘获前翼的尾迹气流可以获取部分升力，提高气动效率。扑翼的频率和角度可以变化，通过非定常运动，以及机翼弦向和展向的弯扭变形，满足高速-低速-悬停各飞行阶段的气动力要求。飞机没有专门的控制面，通过四片扑翼的非对称运动实现转弯，爬升，降落等动作。 二、飞机的设计特点 ： (一) 独特的升力装置：机翼为前后串列，前后翼尺寸与结构相同。机翼的内外段间以及机翼根部为柔性连接，连接处采用压电驱动的形状记忆合金SMA（shape Memory Alloys），通过电流控制飞行中扑翼的主动扭转。机翼骨架为主动柔性结构，在不同的飞行状态和姿势下，可以灵活调整机翼的几何形状，包括扭转角，后掠角，弦向弯度等，以取得最佳气动效果。机翼的变形自由度很大，在地面上可以折叠并贴合在机身上，占用空间小，便于停放和远距离运输。 (二) 革命性的机身结构：摆脱传统的桁条-壁板结构形式，转而采用以碳纤维复合材料杆系构件作为承力部件的整体桁架结构，充分发挥碳纤维复超强的轴向强度，并以杆系受力避免横向承担过大载荷，提高结构的承载效率，有效降低机身结构重量。在制造中，由3D编织设备直接由碳纤维制作整体机身骨架，并采用RTM技术固化成型。大幅简化加工程序，便于大批量生产，尽量降低生产成本。 (三) 智能蒙皮：采用轻质高韧性材料，能够在机翼变形过程中，保持结构完整性和表面光滑 ，在气动力作用下没有屈曲或凹凸变形，而且在长时间的服役中，不会产生疲劳问题。表面涂覆高效率的纳米薄膜太阳能电池，提高飞行时间，增大航程。 (四) 新型动力装置：采用一种新型电致材料----离子交换树脂金属复合材料（IPMC），该材料在电场作用下可做出弯曲-伸缩等各种反应，低电压驱动，位移量大，同时质量轻，响应快。类似于鸟类的肌肉安置在翼根和机身处，控制机翼不同频率和方位的扑动。采用模块化设计制造，封装成多个相互独立的动力单元，这样部分动力单元的失效不会影响飞行安全，而且便于检查维护，有问题的模块可以单独更换。 (五) 清洁能源系统：采用氢燃料电池为IPMC和SMA提供电力，氧气直接从大气中提取。氢气由新型碳基储氢材料存储，该材料密度低，储氢效率高。而且储氢材料可以加工作为结构非主承力部件，从而尽可能降低飞机空重，增大有效载重。另外，接受蒙皮的太阳能电池产生的电力，可以直接用于驱动IPMC材料，当太阳光充足的时候，可以将剩余的电力电解水，生成的氢气存储起来。整个动力与能源系统不产生有毒气体，没有噪音，绿色环保。 三 系统化简介 采用模块化设计思想，基于同一组扑翼系统，可以发展出不同的型号，以满足不同领域的用途。本人设想了以下几种用途： （1）通用小型飞机 ：扑翼飞行噪音小，绿色节能而且可以垂直起落，将来有望作为普通家庭的代步工具，或者用于旅游观光，森林消防巡逻等，有很好的发展前景。 （2）轻型攻击机：扑翼机没有传统飞机的螺旋桨、发动机叶片等强雷达散射元，容易保持机身电磁连续性，辅助以隐身涂层，将有效降低RCS，同时没有发动机的噪音，声觉信号也很小，因此攻击的隐蔽性和突然性很高。战争中可以类似武装直升机的战术，在一树高的空间内隐蔽突防，以小型空面导弹或者小尺寸灵巧炸弹为主要武器，安装先进的光电观瞄装置和宽带通讯数据链，可以远距离实施攻击。攻击后又能够快速脱离战场，可以用来对付地面装甲目标，更是敌方武装直升机的专业杀手。 （3）无人侦察机：同样具有低的雷达反射截面积和声学信号，安装小型相控阵雷达，整个机身都可作为雷达发射阵面，作为传感器飞机，装备多种传感器和高效通讯装置。可以悄无声息地深入敌后进行侦察活动。在高空飞行时，即使被地面视觉观测到，由于飞行姿势与鸟相似，也不易引起警觉。此外战术使用上也可以作为轻型无人扑翼攻击机的编队指挥机，负责空中预警、指挥、监视、侦察等，作为网络中心战的一个重要节点，在未来信息化战场必将发挥重大作用。 四总结 扑翼飞行是人们长久以来的一个梦想，为实现这个梦想，许多的先驱已经为之做出贡献，甚至付出生命的代价。在科技迅速发展的今天，扑翼飞行仍面临很多的技术挑战，空气动力学理论需要更深入地研究扑翼的飞行机理，而动力和能源装置虽有一些突破，但仍未实现商品化，全新的结构设计思想也需要更深入的研究和试验验证，新的材料和工艺也需要去创新。 展望未来，科学的发展必将带动技术的进步，载人扑翼飞行器必将成为现实。高效的扑翼系统，必将迎来美好的发展前景。 2008-5-25

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