王智

　　“蜻蜓”仿生全电扑翼机

　　南京航空航天大学

　　随着航空科技水平的提高扑翼机以其机动灵活，受场地限制小，飞行能耗少等特点备受人们的关注，某些研究者通过实验证明：扑翼机的升力比普遍固定翼飞机要大2-3倍；扑翼机的使用经济性为普遍飞机的 1.5-2倍，为直升飞机的6-9倍。从飞行安全性来说，扑翼机要比普通飞机可靠得多。扑翼机能以较小的速度起飞和降落，甚至垂直起降、悬停，不需要很长的跑道和专用的机场。这对于改进飞机的使用情况很有利，特别是对战斗机而言。因此，人们对扑翼机的研究并没有停止。但是现在的研究由于技术水平等方面的限制，所研制的扑翼机还仅限于微型飞行器。但随着科技的进一步发展，扑翼机的发展也会逐渐向大型化、实用化发展这里带来我设计的通过模拟蜻蜓的飞行原理的一种较大型的实用无人驾驶扑翼机。

　　任何飞行器的设计制造都离不开技术的支持，在介绍飞机性能之前，让我们现根据出现的年代未来技术发展作出一系列合理技术前提：

　　该飞行器定位出现在2030-2050年 我们假设：

　　1. 空气动力学 特别是非定常状态下的漩涡空气动力学发展到一个全新的高度。

　　2. 仿生学在航空方面和新材料研发应用达到实用化。

　　3. 新材料技术特别是复合材料和具有电、磁等特性的新材料产生和发展。

　　4. 新

　　5. 计算机技术、控制、信息技术高度

　　6. 使用先进制造技术。

　　该型扑翼机是作为传统意义上直升机的后继机种研制出现。无人驾驶，全电能源，采用仿生扑翼布局，全复合材料机身，用高能氢氧燃料电池

　　二.技术创新及飞行器设计介绍

　　1.技术创新点：

　　全电飞行器、仿生扑翼布局技术、先进仿生复合材料技术、高能氢氧发动机技术、智能化蒙皮技术、光传操纵系统、电磁武器系统。

　　2.飞行器设计原理思想介绍

　　(1)。 仿生扑翼布局：

　　人类的航空技术并不是在所有的方面都超过了自然界。例如自然界的飞行生物可以轻而易举以极少的能耗的完成很多人想象不到的飞行动作。该型扑翼机正是基于仿生学的理论作为指导，来模拟飞行生物的飞行特性，但是大型的飞行器飞行性能并不是微型飞行器的简单尺寸放大(比如说一个正方体形状扩大一倍，体积和重量扩大16倍)，所以简单的考虑某种生物的飞行特征在放大后并不一定使用，因此在选用布局的时候充分的考虑各种参照生物的特点，并尽可能的减轻飞行器的重量。综合飞行性能和工程实际，选用蜻蜓作为扑翼布局仿生对象：

　　1.蜻蜓通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流，并利用气流产生的涡流来使自己上升。通过对涡流控制，蜻蜓能在很小的推力下翱翔，不但可向前飞行，还能急速转向、向后和左右两侧飞行。

　　2.蜻蜓的飞行行为简单，仅靠两对翅膀以不同的频率、方向不停地拍打。就可以完成各种复杂的飞行动作。

　　3.蜻蜓的翅膀结构和运动形式较为简单、翅膀相对刚度较大、振动频率也是飞行昆虫中较低的，采用蜻蜓仿生扑翼在材料和制造工艺以及计算机仿生模拟上也较其他的飞行昆虫容易实现。

　　我们利用新型的复合材料和无人驾驶的条件以及其他先进的设计条件尽可能的减轻飞行器的重量，考虑到飞行器的机动性方面的要求及信息技术的高度发展，在未来无人驾驶飞机可以部分代替有人驾驶飞机执行任务, 而且也省去了飞行员的重量及操纵系统、生命保障系统等的重量，提高飞行器的灵活性的。通过计算机软件仿生控制和使用仿生材料可以模拟出类似蜻蜓的飞行方式和性能，使该型扑翼机达到良好的灵活性、加速性、以及正飞、倒飞、向左右飞行、悬停和快速变向飞行的能力。

　　该型扑翼机的核心在于扑翼部分，扑翼部分由四片新型复合材料扑翼叶片、扑翼驱动系统、动力系统、控制系统几部分组成。扑翼叶片由质量轻和高抗疲劳强度特性的薄复合材料制造、可以满足模拟蜻蜓翅膀挥动的条件和增加强度、减轻重量的要求。叶片上分布多片传感器，可以将飞行的数据即时传回飞行控制计算机，比对和调整扑翼叶片的工作状态。扑翼动力驱动系统也不再采用现在的机械传动，而是通过一种同样基于仿生学中生物力学原理模拟肌肉组织的电感应材料。此种材料是一种高分子化合物，具有同肌肉纤维特点相似的组成，以电能方式提供收缩、舒张需要的能量、并能通过感受输入电流电压的变化改变收缩、舒张的强度和程度来驱动扑翼运动。高性能的计算机可以根据传感器传回的数据和控制端输入的信号来控制驱动系统表现出相应条件下的运动特性。

　　由于扑翼和扑翼动作系统必须是柔性的(满足模拟肌肉组织收缩条件)因此也带来飞机结构上相对与传统意义上的飞机的变化，所以我们在飞行器上也广泛的采用了力学、物理学特性好的复合材料最大程度上满足扑翼机的仿生运动要求。

　　(2)。动力系统：

　　在30-50年后的未来，新能源的研究和使用也势必达到一个新的高度。为此我们大胆设想一种全电能的飞机的可实现性。利用高性能的新概念氢氧燃料电池作为扑翼机的动力系统，据报道在去年中国上海举行的第六届旨在推动可持续发展的道路移动性的必比登挑战赛，日本的一台体积不到半立方米重量不超过50千克的高能氢氧燃料电池的发动机输出了85千瓦的功率，而且转换效率极高。由于氢是单位质量产生能量最多的物质，可以较好满足航程的要求，由于反应的最终产物是水，所以也没有其他燃料所带来的污染。考虑到发动机的工作方式采用了自带液氢、液氧作为燃料来源，在机身的发动机中通过高性能催化剂使之以及高的反应速率产生类似原电池的反应将产成的化学能直接转化为电能输出，反应产生的热能经由覆盖在工作区域上的热差电池进一步进行热-电转化后与产物水一起以水蒸气的形式从尾部排出。由于无人驾驶和新材料新技术带来的机体重量减轻可以使机身大部分空间和重量来承载发动机和燃料箱达到输出功率和航程的要求。

　　该发动机与常规发动机具有以下好处：

　　1. 燃料转化效率高，在高功率条件下可以使全电力飞机实现成为可能。传统的飞机利用燃烧产生的高温喷流或转化为轴功率输出。燃料转化效率低、造成大量热能损失和燃料浪费。

　　2. 改变了传统飞机发动机的工作模式-即吸气、压气-混入燃料-燃烧-产生功率。发动机无需外界提供氧气，没有了扑翼机的飞行方式导致的飞行吸入空气量不稳定带来的发动机进气量不足的问题，而且转化效率高，排出的产物温度相对极低(水蒸气与高温喷流)，是红外特征几乎可以忽略

　　3. 具有高度的安静性，由于取消了传统意义上的发动机，可以将飞机发动机带来的噪音减至最低

　　(3)。智能化蒙皮模块技术

　　目前机上几十乃至上百部天线以及诸多的外挂物是实现作战飞机隐身的最大挑战，它所产生的雷达反射面(RCS)比起由飞机外形产生的RCS要大得多。而且繁多的电子设备占用了太多机上宝贵的空间，因此该型扑翼机和采用智能化蒙皮模块技术设计制造来将各种天线、结构与分布式传感器、雷达、电子对抗、雷达报警接收机、大规模集成电路芯片等这样的整个系统移出飞机机舱，使其成为飞机结构和蒙皮的一部分。减少对扑翼机内部空间的占用，减少雷达反射面积，各种嵌入蒙皮的传感器和电子元件可用阵列的布局，这样其中一部分损坏或故障，都不会引起整个系统的失效，而且可以根据更换不同的蒙皮模块来达到执行不同飞行任务及日后系统升级的能力。在布局上采用自上而下的顶层设计方式，把不同频率、不同功能、飞行中不同阶段所使用的各种机载传感器系统按需要协调工作，做到最大限度地系统共用，资源共享，并减少暴露给对方的机会和时间。达到全方位，多种方式的监测，并可以实时的将飞机的飞行数据大气情况各系统的工作状况等传回飞机。

　　(4)。光传操作系统：

　　现在的飞机普遍采用的是电传操纵系统，这种操作系统减轻了操作系统的质量和体积。提高了操纵系统的可靠性、生存性，提高了飞行品质，但这种操纵方式有一个明显的缺点，就是难以防止电磁干扰和电磁冲击。考虑到未来高技术条件下高电磁干扰环境下无人机的作战要求。在这种扑翼机上采用了光传操纵系统。利用光纤代替电缆，用光信号代替电信号。可以消除电磁干扰的影响。而且光传播信号的速度比电更快，更稳定。我把飞机上最关键的计算机和电子设备都密封在一个电磁屏蔽的盒子里，里面用低温液态气体冷却，使之低于超导临界温度，极大提高计算机的处理性能。处理器盒仅通过数组光纤同外部设备如智能化蒙皮、发动机及扑翼控制系统相连进行数据的交换和控制。而且可以取消原有的防电磁干扰和传动设备。降低重量和成本。降低电能的消耗。

　　光电信号之间的转换由光电转换器完成。其中，信号电-光转换由类似电激发激光管的转换装置实现；信号光-电转换由类似太阳能电池原理的转换装置实现。

　　由于采用电能作为能源， 因此也采用了一门 20mm电磁炮作为武器。加速弹丸的能量来自发动机产生的电能。炮管采用能量转换效率高弹丸初速高的螺线管炮型。可以根据任务需要发射几克到数百克重量的弹丸。由于电磁武器可以将弹丸加速到每秒几千米的速度。因此弹丸的能量也很大和射程也较大。电磁武器击发时间短，也可以很大程度上减小扑翼机震动带来的精度上的影响，

　　四.技术性能指标：

　　机动性：采用仿生扑翼布局赋予了飞机高度的灵活性，可以使其能够模拟昆虫，完成多数飞行器无法完成的机动动作。

　　火力：采用20mm电磁炮做为飞行器的武器。通过选择以不同发射速度下发射不同性能、质量的弹丸来达到一炮满足不同任务需要的要求。电磁武器的威力和精度可以满足争夺低空制空权、精确打击和对地支援要求。

　　电子设备：采用光传操纵系统，智能化模块蒙皮技术，超导计算机技术。使飞行器具有先进的电子技术优势，极大提高飞行器的抗干扰能力和先敌发现，先敌攻击的能力。而且升级设备方法简单，容易保持技术上的领先。

　　生存性能：

　　雷达隐身性能：轻型机的机体和全复合材料制造使得全机的RCS维持在一个极低的水平。扑翼机特有的机动灵活性也拓展了飞行空间和飞行方式，可以使更容易的避开雷达的监视。

　　红外隐身性能：由于采用的是全新概念的发动机，喷流以水蒸气形式排除，因此飞机的红外特征信号极小；由于飞机飞行速度低，气动加热问题也不明显。可以说该型机的红外隐身性能相比传统飞行器有了质的提高。

　　声音隐身性能：同样由于新概念发动机的使用使飞行器消除了发动机轰鸣这一最大的声源，由于仿蜻蜓扑翼的振动频率也不是很高。所以全机的声信号特征也维持在以较低的水平。

　　电子生存能力：由于未来激光、电磁、电热武器等的使用，使飞行器抵抗直接命中打击能力作用降低。生存能力也更多的体现在了先敌发现、先敌攻击和躲闪的能力。该扑翼机设计中积极强调电子技领先。智能蒙皮结构和光传控制系统保证了电子设备上的先进性，因此电子生存能力也很强。

　　可维护性：全机采用模块化结构，可以快速更换受损部位的元件，任务变更时改装方便，降低后勤方面的负担

　　通用性：该型扑翼机先进的设计理念可以使其仅进行简单的改装就可以胜任多种任务，其优秀的飞行品质也使得飞机在民用航空领域也有应用之地。

　　五.技术可行性分析：

　　虽然在我设计的这种扑翼机上应用了很多尖端的技术，包括一些现在看来难以实现的比如全电飞机、仿生肌肉复合材料，高功率氢氧燃料电池发动机等技术。但其并不是凭空臆想的。据悉在世界上许多国家已经进行了多种不同类型的扑翼机的研究，研制了各种压电性质材料，可以根据电磁场的变化改变形状的记忆金属复合材料，柔性机翼材料等多种复合材料。也试飞小至几十厘米大至十几米的扑翼机。燃料电池也逐渐朝着高功率，高转换效率低重量，低能耗的方向发展。已经出现了全电的汽车、船只和潜艇。智能蒙皮技术，光传操作系统，电磁武器也都在从实验室逐渐走向实用化。我们有理由相信，随着人类科学技术水平的不断进步，应用全新设计理念和结构的全电扑翼机出现在我们的视野中也不再只是个梦。

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