一种超低空飞行的仿生扑翼飞行器的设计及分析

叶锦涛，刘凤丽，郝永平，刘双杰，郭梦辉，冯卓航

（1.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159；2.沈阳理工大学装备工程学院，辽宁沈阳110159；3.内蒙古北方重工业集团有限公司南京研发中心，江苏南京211100；4.西安交通大学数学与统计学院，陕西西安710049）

在自然界，扑翼飞行的鸟类和昆虫具有优越的飞行性能［1-3］。目前，人类研发的飞行器主要有固定翼、旋翼和扑翼三大类。相较于固定翼和旋翼飞行器，扑翼飞行器具有机动能力强、在低雷诺数下机械效率高、隐蔽性强等特点。在穿梭往返于狭窄地带进行空中侦察时，扑翼飞行器的优势尤为突出［4-7］。

扑翼飞行器的研究受到广泛关注。很多研究机构通过多种方法改善了扑翼飞行器的驱动方式和飞行效率［8-13］。在扑翼飞行器的设计方面也有不少研究成果。美国Aero Vironment公司研制了仿蜂鸟机器人Nano Hummingbird［14］，其总质量为19 g，翼展为16.5 cm，扑翼频率为30 Hz；采用电机加绳传动的驱动方式，翅膀的扭转动作由绳传动和限位装置的控制实现，首次实现了仿生扑翼飞行器的悬飞和六自由度可控飞行；但其尺寸太小，空中载重飞行能力较弱。德国Festo 公司研制了一款仿生蝙蝠Bionic Flying Fox［15］，其总质量达580 g，翼展为228 cm，体长为87 cm；翅膀由一种极薄而强韧的薄膜制成，该薄膜由1层弹性纤维和2层密封膜构成；其特点是在飞行时能够通过骨架的运动来控制翅膀变形，从而获得较强的飞行能力；但该飞行器尺寸较大，在空中飞行时易被地面人员察觉，应用范围受限。美国特拉华大学于2004年研制了名为“Sparrow”的微型扑翼飞行器［16］，其早期为木质结构，总质量为50 g，翼展为50 cm，后改进为碳纤维复合结构，总质量为15 g，翼展为36 cm；……