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扑翼机(Flapping-wing airvehicle, FAV)是通过像鸟类和昆虫一样上下扑动自身翅膀而升空飞行的航空器,又称振翼机、扑翼飞行器。作为一种仿生学的机械,扑翼机与它模仿的对象一样,以机翼同时产生升力和推进力。但也由于升力和推进力由同一部件产生,涉及的工程力学空气动力学问题非常复杂,其规律尚未被人类完全掌握。有实用价值的扑翼机至今尚未脱离研制阶段,微型航空器是扑翼机最有可能实用化的领域。

扑翼机集仿生学、空气动力学分析、机械结构分析、能源通信、控制等多学科交叉技术于一身, 有广阔的发展前景。扑翼机自达芬奇起就有设计图纸[1],但由于扑翼飞行系统复杂, 在20世纪70年代之后才出现较为系统的研究。其发展经历了前期的低频扇动大型载人扑翼机,到中频扇动的仿扑翼机,再到现在比较流行的高频扇动的昆虫扑翼机(低雷诺数条件),理论建模也由开始的固定翼做正弦运动到后来复合翼的复杂运动逐步发展。

机翼形状

根据扑翼机模仿的对象不同,它们的机翼形状有的形似蝙蝠,具有薄膜状的扑动翼。有的形似鸟类,具有带缝隙和活门的扑动翼。有的则形似昆虫,具有能高频扑动的轻巧的硬质扑动翼。

蜂鸟飞行机器人(Nanohummingbird)

蜂鸟飞行机器人Nano hummingbird 是在美国国防高等研究计划署(Defense Advanced ResearchProjects Agency, DARPA)资助下的纳米飞行器(Nano air vehicle, NAV)项目成果[2]。项目从2005年开始启动;2006年的第一代产品FP1实现了系统稳定但不能实现飞行, 2011年的Nano蜂鸟飞行器带有摄像系统, 能实现倾斜、滚动和旋转多维控制;扑翼机翅膀采用柔性膜, 结合计算、实验、声学等方法设计选型; 拍动结构设计则采用四连杆和绳结构;控制设计方面利用无尾控制方法,结合翅膀转动和扭动实现姿态控制。与实际的蜂鸟相比,该系统推进效率较低,输出推力较小导致续航能力较差, 翅膀几何结构设计难以做到时变。实际应用中需要结合加速器、磁力仪、压力传感器等模块以应对军事等复杂的任务要求。

视频

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参考文献