超微型扑翼飞行器的实现及相关机理研究

摘要

本文设计实现了一种以鹰蛾为参照昆虫的，基于微电机驱动的超微型扑翼飞行器“CAKE”，并对实际的扑翼飞行过程应用大尺度水下测力模型进行了相关机理的实验研究。“CAKE”设计并采用了比传统的双连杆或四连杆扑翼机构更为紧凑和对称的“摆杆-滑槽”扑翼机构，并且由微型蜗杆减速的微电机提供扑翼动力，这使得实际扑翼飞行中的挥拍角度能够接近100度。此外，薄膜翼面的优化设计使得“CAKE”飞行更接近于活体昆虫的“大挥拍角度+大攻角变化”的扑翼过程。“CAKE”扑翼飞行器所有结构采用了超细碳纤维材料实现，达到了更高的“强度-重量”比。“CAKE”全系统包括微电机，扑翼机构，翼面，舵面，电子系统，红外接收器和微电池；“CAKE”起飞总重量不足2克，翼展(翼尖到翼尖距离)约8cm，扑翼频率可达到20赫兹以上，并具备短距离红外操控能力。“CAKE”扑翼飞行器已经相当接近活体鹰蛾的尺度和拍翼频率，是目前最接近于参照昆虫的扑翼微飞行器之一。本文借鉴了活体昆虫研究方法，采用自行开发的大尺度水下测力模型“FFS”(自由飞行模拟器)对扑翼飞行器进行了测力研究。这给后续更高性能的扑翼微飞行器研制提供了设计依据，也提供了扑翼飞行器的非定常高升力研究的新思路。