微型飛行器發(fā)展現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù)

姜倩等

摘 要：微型飛行器作為研究熱點(diǎn)，是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域。文章描述了微型飛行器的起源；結(jié)合國內(nèi)外近十年的研究情況，依照飛行布局闡述三類微型飛行器的發(fā)展?fàn)顩r，分析相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)與主要難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：微型飛行器；微電子機(jī)械系統(tǒng)；系統(tǒng)集成；多學(xué)科優(yōu)化

中圖分類號：V279.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）08-0001-02

隨著時(shí)代的發(fā)展和功能的多樣性，人類對飛行器的要求也發(fā)生著變化。在萊特兄弟時(shí)期，人們希望飛行器安全穩(wěn)定飛行，以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化；到一戰(zhàn)二戰(zhàn)時(shí)期，人們提出長航程長航時(shí)的要求，積極尋求飛行器軍事用途；到冷戰(zhàn)時(shí)，東西方大國對高空高速高超機(jī)動(dòng)性能的追求。

到了20世紀(jì)末，人類又另辟蹊徑，提出“微型化”的要求——“微型飛行器”（Micro Air Vehicle-MAV）概念應(yīng)運(yùn)而生。

1 微型飛行器研究起源

1992年，美國國防高級研究計(jì)劃局（Defense Advanced R-

esearch Program Agency-DARPA）在美國德蘭公司（RAND）召開關(guān)于未來軍事技術(shù)的研討會。會上，RAND公司首次提出MAV概念：翼展不超過15 cm，質(zhì)量10～100 g，最大航程1～10 km，巡航速度30～60 km/h，續(xù)航時(shí)間20～60 min的飛行器。此后，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室（Lincoln Laboratory）和美國海軍研究室（NRL）對MAV各個(gè)層面進(jìn)行詳細(xì)評估，他們得出研制搭載微型傳感器，可自主或人工操控完成一定任務(wù)的小尺寸微型飛行平臺的構(gòu)想是可實(shí)現(xiàn)的；MAV低成本、小體積、輕重量的特點(diǎn)符合未來軍事斗爭的趨勢，對美國國防安全和保持軍事領(lǐng)先具有重要意義。1995年，DARPA主持MAV可行性討論會，會后就MAV技術(shù)可行性得出肯定的結(jié)論。1997年，DARPA提出微型飛行器研制計(jì)劃項(xiàng)目，周期4 a，投入資金3 500萬美元。該研究計(jì)劃旨在研究和開發(fā)與MAV相關(guān)的結(jié)構(gòu)、動(dòng)力、材料、控制、傳感等子系統(tǒng)。美國國內(nèi)眾多高校、企業(yè)與實(shí)驗(yàn)室參與競標(biāo)。同年，佛羅里達(dá)州立大學(xué)（University of Florida）發(fā)起并組織全美微型飛行器大賽，并逐漸擴(kuò)大影響力，吸引美國、歐洲等各大高校和企業(yè)參加。除了DARPE，美國海軍實(shí)驗(yàn)室，美國陸軍實(shí)驗(yàn)室等科研機(jī)構(gòu)也在從事MAV的相關(guān)技術(shù)研究。

2 微型飛行器研究現(xiàn)狀

從MAV發(fā)展20余年的情況看，國內(nèi)外關(guān)于MAV主要有兩種分類方式。按照尺寸大小可分為：厘米-毫米級微型飛行器，和DARPA最初定義的15 cm級飛行器。按照飛行特點(diǎn)和氣動(dòng)布局可以分為：固定翼微型飛行器，旋翼微型飛行器和撲翼微型飛行器。本文將按照后者分類形式對MAV發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

2.1 固定翼微型飛行器

MIT林肯實(shí)驗(yàn)室研制的鴨式布局MAV屬于早期MAV，用于偵察任務(wù)，分為晝間型與晝夜型。晝間型尺寸明顯小于晝夜型，其搭載1.4 g攝像頭及電池，可在100 m以下，1 000 m以內(nèi)持續(xù)飛行60 min；每2 s完成一張照片的拍攝。

AeroVironment公司研制的“Black Widow”MAV呈盤裝，采用鋰電池供電的牽引式螺旋槳推行系統(tǒng)，搭載一臺微型照相機(jī)和一個(gè)GPS定位裝置。全機(jī)航程16 km，續(xù)航速度12 m/s，需要專門發(fā)射機(jī)構(gòu)。此后該公司又推出其改進(jìn)的第二代”Wasp”和第三代“Homet”。

Sanders公司發(fā)明的“Micro Star”固定翼MAV，可從手掌上起飛，具有基于GPS自主飛行和人工操控能力；采用螺旋槳推進(jìn)，續(xù)航時(shí)間60 min以內(nèi)；機(jī)翼內(nèi)布置相關(guān)微電子設(shè)備和傳感器，搭載的攝像頭可實(shí)時(shí)傳輸采集的圖像數(shù)據(jù)。

此外，較成熟的固定翼MAV還有美國海軍實(shí)驗(yàn)室的“MITE”，MLB公司的“Trochoid”等。

2.2 旋翼微型飛行器

旋翼MAV可以懸停，垂直起降，具有在狹小的空間靈活自如工作的特點(diǎn)。

Lutronix公司和Aubum大學(xué)聯(lián)合研制的“Kolibri”呈筒狀，頂部安裝螺旋槳，分為單旋翼和同軸雙旋翼型號，采用微型柴油發(fā)電機(jī)，下部搭載相機(jī)；中部裝有GPS/加速度計(jì)/陀螺儀集成導(dǎo)航系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自主飛行和懸停。其利用處于尾部螺旋槳下洗流的葉槳完成俯仰、橫滾、偏航。

斯坦福大學(xué)研制的“Mesicopter”MAV是微型四旋翼飛行器。其機(jī)身為16 cmX16 cm的正方形，四角安裝直徑15 mm螺旋槳，每個(gè)螺旋槳都由獨(dú)自微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)室目前實(shí)現(xiàn)樣機(jī)在一個(gè)竿臂上離地起飛。

日本愛普生公司研制的“Epson”原型機(jī)，擁有兩列槳葉，其直徑為13 mm，高7 mm，由超聲波馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，搭載了微型電路和低功耗無線電模塊。

2.3 撲翼微型飛行器

撲翼結(jié)構(gòu)是一種原始的飛行布局，它被認(rèn)為是自然界最完美的飛行結(jié)構(gòu)。在達(dá)爾文的《論鳥的飛行》中，詳盡地描述了他對鳥類的觀察，設(shè)計(jì)出一系列撲翼式飛行器，開創(chuàng)了撲翼布局的研究。

在MAV方面，加州理工大學(xué)和AeroVironment公司及加州洛杉磯大學(xué)聯(lián)合研制的“Micro Bat”是早期較為成功的電動(dòng)撲翼MAV。其模仿蝙蝠的翅膀，采用鋰離子電池動(dòng)力，將內(nèi)部電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成20 Hz頻率的撲動(dòng)。

在DARPA的資助下，SRI公司和加拿大多倫多大學(xué)共同研制“Mentor”。目前其翼展15 cm的較為穩(wěn)定，并完成系留飛行試驗(yàn)。其4片撲翼采用人造肌肉（EPAM）——一種電致伸縮聚合物驅(qū)動(dòng)。

英國劍橋大學(xué)、ETS實(shí)驗(yàn)室和美國佐治亞技術(shù)研究所研制的“Entomopter”，采用往復(fù)式化學(xué)肌肉（RCM）驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)⒒瘜W(xué)燃料轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，完成翅膀10 Hz的撲動(dòng)。

此外，還有美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室的“機(jī)器蒼蠅”，以及Vanderbilt大學(xué)利用壓電原理驅(qū)動(dòng)的微型撲翼昆蟲，西北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)新型的“撲旋翼MAV”等。

3 微型飛行器關(guān)鍵技術(shù)

3.1 低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)問題

MAV并不是大型飛行器的縮小版，它的氣動(dòng)布局是需要重新設(shè)計(jì)的，原因在于雷諾數(shù)的變化。

尺寸的縮小將減小飛行器周圍的雷諾數(shù)（大約在10 000）； MAV的飛行將猶如在粘稠的流體中運(yùn)動(dòng)一般，空氣的粘性影響達(dá)到不能忽略的地步。此外，MAV的靜穩(wěn)定性較差，抵抗突風(fēng)和不穩(wěn)定氣流的能力較弱。目前，低雷諾數(shù)下空氣動(dòng)力學(xué)沒有很好的理論和仿真公式，多采用實(shí)驗(yàn)的方法輔助設(shè)計(jì)。

3.2 微機(jī)電系統(tǒng)集成與制造技術(shù)

MAV的發(fā)展離不開微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）的進(jìn)步。由于MAV有限的內(nèi)部空間和有限載荷，其機(jī)體尺寸和重量將被最大限度地縮減。但是研制性能穩(wěn)定，又輕薄短小的機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感器又具有相當(dāng)大的難度。因而，MAV必須是一個(gè)高度集成的微型復(fù)雜系統(tǒng)，包括微型器件的高度集成、有效載荷的最大限度集成等。借助于MEMS技術(shù)，研制更加輕量、更加多樣的功能模塊將是未來的趨勢。但是集成之后的功能耦合與信號干擾又是需要解決的關(guān)鍵問題。

3.3 動(dòng)力提供與推進(jìn)裝置

MAV的動(dòng)力問題是制約續(xù)航時(shí)間和航程的重要因素。目前，MAV可以采用的動(dòng)力源有：微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、微型燃料/化學(xué)電池、微型太陽能電池等。由于礦物燃料釋放的能量比同質(zhì)量電池高，一部分科學(xué)家致力于開發(fā)礦物燃燒以解決MAV的動(dòng)力問題。然而電機(jī)具有效率高、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，電驅(qū)動(dòng)的前景也是可觀的。目前電機(jī)微型化技術(shù)已經(jīng)較為成熟，例如上海交通大學(xué)研制出2 mm微電機(jī)等。此外，電致人造肌肉、往復(fù)化學(xué)肌肉、彈性動(dòng)力及熱電動(dòng)力等也都新型的動(dòng)力機(jī)構(gòu)。

3.4 飛控與導(dǎo)航技術(shù)

如前所述，MAV質(zhì)量小，靜穩(wěn)定弱，對抗突風(fēng)的能力較差，這就需要在飛控方面的優(yōu)化改進(jìn)。目前，在微型飛行器表面分布微氣囊和智能材料、自適應(yīng)翅膀等方法是具有開發(fā)潛力的方案。同時(shí)，MAV為完成自主飛行和人工操控，需要一套高度集成、低功耗的收發(fā)天線和GPS系統(tǒng)等。

4 結(jié) 語

MAV是基于MEMS技術(shù)，涉及空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)、材料、推進(jìn)、控制、遙感等多領(lǐng)域，跨學(xué)科優(yōu)化，高度集成的復(fù)雜微系統(tǒng)。它的研發(fā)不僅是一個(gè)國家航空技術(shù)的體現(xiàn)，更是工業(yè)領(lǐng)先化的表現(xiàn)。由MAV帶動(dòng)和促進(jìn)的相關(guān)技術(shù)將對一個(gè)國家的國民生產(chǎn)與社會建設(shè)帶來可觀的效益。

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