鲲鹏多模式平动扑翼滑翔机.doc

创新杯”第六届全国未来飞行器设计大赛
“创新杯”第六届全国未来飞行器设计大赛

“鲲鹏展翅”多模式平动扑翼滑翔机

业 余 组
2014年

彩色设计图

飞行器的外形效果图

体内布局图

简要三视图

目 录
一、 方案设计思想 1
1． 任务描述 1
2． 战场环境设想 1
3． 技术要求及应用前景 1
二、 总体设计 1
1． 外形设计 1
2． 部件安装 2
3． 动力装置: 2
4． 起降方式: 2
5． 操纵系统: 2
三、 主要设计参数 2
四、 主要性能参数 3
五、 科学、合理、可实现性 3

一、 方案设计思想
“鲲鹏”多模式平动扑翼滑翔机采用了创新设计的独特的平动扑翼机构。未来的多模式平动扑翼滑翔机的尺度（十米左右）、飞行重量、航程达到小型固定翼飞机的技术水平，可实现平动扑翼长途飞行，从而成为一种实用的飞行平台。
平动扑翼模仿鸟类的翅膀的微元截面的运动模式，使整体机翼上下平行地扑动的同时改变迎角，与现实的摇摆式扑翼机一样可以扑翼飞行。平动扑翼飞行能量利用效率非常高，深入研究平动扑翼飞行使未来的扑翼飞行器的尺寸、重量续航时间和航程及整机安全性得到极大的提升。
1． 任务描述
太阳能电池供电的平动扑翼滑翔机可在海面长期漂浮和起飞降落，用于对海面船只抵近侦察和警告。
2． 战场环境设想
未来航空作战的前期，中国和日本会在争议海域进行一场先进太阳能无人机对抗，有美国的高端技术撑腰，日本气焰嚣张，冲突频繁。双方都在无人机节能和可靠性方面作了很多研究，日本经常派出“百人队长”太阳能无人机不分昼夜地在中国舰队上空盘旋并进行电子干扰。但是日本的太阳能无人机翼展太长，低空飞行风险很大，中国海监船已经打捞到几架“百人队长”残骸送还日本，日本反诬中国击落了其太阳能无人机，威胁要击落中国的“鲲鹏”多模式平动扑翼滑翔机中国警告日本，用有人机击落非武装无人机视为战争挑衅行为。
3． 技术要求及应用前景
1) 该太阳能无人机的翼展在十米左右，不需人员监护起降并可抵抗海风海浪。
2) 该太阳能无人机可以漂浮在海面上沐浴阳光，嗮4小时后可飞行2小时，
3) 该太阳能无人机的机动性优良，感知靠近的海岸、快艇、无人直升机以及蛙人，起降自如，不易被捕获。
4) 该太阳能无人机具有广泛的海洋资源保护功能。可将海洋生物制剂以最经济环保的方式投放到远海，培育远海中的人工渔场，定期的太阳能无人机到访使远海渔场的工作充满乐趣和安全保障。
5) 该太阳能无人机使用费用低廉，多架无人机联网分部在海面上，信息共享并受大陆或舰上的指挥中心控制。
“鲲鹏”多模式平动扑翼滑翔机群构成军民两用的低空海上资源保护网。
二、 总体设计
1． 外形设计
中国古代神话中“鲲鹏”似鱼有四鳍，似鸟有双翅，不发声也不进食。李白畅想了 “鲲鹏”夸张的形态和性能，“鲲鹏一日同风起，扶摇直上九万里”。
“鲲鹏”多模式平动扑翼滑翔机的机身仿照鲨鱼细长的流线形身体。整体扑动的上单翼仿照信天翁优美舒展的翅膀。四轴风扇代表“鲲”的四鳍。科技难于刻意仿生，必须考虑科学、合理，可实现性。滑翔机、水上飞机、太阳能飞机、扑翼机、四轴飞行器都是现代科技的产物，要将这五者糅合设计为一体才是“鲲鹏”多模式平动扑翼滑翔机设计的目的。U形尾、X形布局的电动四轴风扇用于短距起飞和辅助姿态控制。
总而言之“鲲鹏”多模式平动扑翼滑翔机的气动外形符合滑翔机的空气动力学原理。加上电动四轴使其升阻比稍微下降，但最佳升阻比仍然大于35，满足了平动扑翼滑翔机起飞的加速和增升要求。风扇可在飞行中低速旋转，辅助扑翼机姿态控制。太阳能平动扑翼滑翔机的整体封闭性良好，没有开放的气体流道，大量采用柔韧性优良的工程塑料和碳纤维复合材料，可以长期耐受海水浸泡，夜晚可在海面停泊，就像一只海鸟。
“鲲鹏”多模式平动扑翼滑翔机的特性符合海洋环境和高技术角逐的战场需求。
2． 部件安装
“鲲鹏”多模式平动扑翼滑翔机的总体布局按无动力的滑翔机设计，整体机翼铰链在机身中部的行星曲柄传动扑翼机构的连杆上。机翼通过连杆拉力把机身提到空中。U形尾翼双垂尾即避开了扑翼机身的乱流又为海面漂浮提供了横向稳定性。机头装有一对相反旋向的电动升力风扇和其护栏，平尾装也装有一对相反旋向的电动升力风扇，平尾开有直径一米的通风口与风扇兼容。在海面起飞时，后部风扇升力大，与海水浮力共同作用使机体前顷，平动扑翼滑翔机向前滑行。机翼气动力增加的同时加速扑腾，前行速度达到25米/秒就腾空而起离开水面，电动四轴风扇姿态辅助控制系统在低速滑行时起到了防止侧翻打水的作用。机身装有简单的前轮起落架，前轮低矮，部份没入机身，后轮支架弹性变形大，地面起飞时，机身同样会由水平转为微微前顷而向前滑行。机头装有多光谱摄像头和探测雷达。尾部内装有无线通信天线。飞控系统装在机身中部下方。
机翼前沿的行星曲柄平动机构由无刷电机通过齿轮减速驱动；机翼后沿的行星曲柄平动机构和其齿轮减速驱动装置通过同步齿形皮带驳接到前部电机上。用舵机改变皮带张力边的张紧装置的角向就可调节机翼前沿和后沿简谐运动的相位差。前后连杆外装有独立的橡胶波纹护套连接机翼和机身，使海水不能进入。
3． 动力装置:
“鲲鹏”多模式平动扑翼滑翔机采用5个无刷直流电动机、锂电池组、太阳能电池组。机身上装有聚合物锂电池组30kg，可以储备15kwh电能，足够维持2h高速飞行的能量或低速飞行5h。机翼、尾翼、机身上的阳光面以柔性非晶硅太阳能电池做蒙皮，总面积超过14平米，发电功率1~2kw。由于太阳能电池的技术进步，发电效率可达到10~20%，厚度可以做到比纸张还薄，功重比大于1kw/kg，未来的先进无人机都趋向于安装太阳能电池蒙皮，利用免费的太阳能发电。根据飞行速度、飞机质量、滑翔比计算，高速飞行阻力消耗的机械功低于4 kw，低速飞行阻力消耗的机械功低于2 kw。
“鲲鹏”多模式平动扑翼滑翔机技术特性是：平动扑翼飞行本身的能量利用效率高于螺旋桨的推进效率，没有桨叶和发动机整流罩的迎风阻力；可以在海面漂浮并摄取太阳能充电，不用担心电量不够而不能返回。平动扑翼太阳能水上飞机的先进性、可行性、经济性由其技术特性决定，也许是低速空气动力无人机的终极模式。
4． 起降方式:
滑行扑翼短距起降、电动四轴垂直扑翼辅助起降。
由于装有电动四轴风扇姿态辅助控制系统，其自控盲降低起飞和速落水的姿态是水平的，起飞和降落可靠性很高，解决了固定翼飞机起飞和降落阶段舵效低下而易失控的弊病。而螺旋桨式太阳能水上飞机肯定会因螺旋桨打水而不能起飞和降落；摆动式扑翼机的翼尖幅度太大、速度高，也会拍击水面而损伤传动机构。
5． 操纵系统:
固定翼姿态控制系统。在“鲲鹏”多模式平动扑翼滑翔机上装有副翼和升降舵、方向舵，非失速状态下舵效高，可以高滑翔比飞行。
电动四轴风扇姿态辅助控制系统。在“鲲鹏”多模式平动扑翼滑翔机上装有电动四轴风扇和六自由度控制系统，在低速状态下使机体恢复水平的能力很强，使翼尖离开水面再扑动。
平动扑翼机构的频率和相位差可控，甚至可以捕捉最佳扑翼时机，结合未来的智能变形材料，可以发展出功能完善的单纯平动扑翼飞控系统。
三、 主要设计参数
翼展 10米
机长 10米
机高 2米
机翼面积 12.4平方米
前沿后掠角 19°
主轮距 1.6米
前主轮距 2.5米
扑翼前沿行程 400mm
扑翼后沿行程 400mm
前后沿相位差 45°~90°
迎角变化 -5°~16°
扑翼频率 1~4Hz
扑翼机构（简谐运动） 行星曲柄传动扑翼机构
扑翼电机功率 5~10kw
四轴风扇单台电机功率（非垂直起降） 3 kw
锂电池组：
电压 400V
电能 15kwh
重量 30kg
太阳能电池：
面积 14平方米
功率 1kw
重量 4kg
起飞重量 200kg。
有效载荷重量 30kg
全机功率重量比 低于1 kw/20kg
四、 主要性能参数
续航时间 3h
太阳能充电时间 4~5 h
最大平飞速度 200km/h
最小平飞速度 40 km/h
实用升限 3000m
最大航程 400km
最大留空时间 4 h
起降滑跑距离 50米
五、 科学、合理、可实现性
行星曲柄传动扑翼机构的核心是齿数比为2：1的固定内齿圈、行星齿轮。曲柄由发动机（或电动机）减速驱动，作匀速旋转，行星齿轮上的偏心块作往复直线简谐振动。用连杆把偏心块振动传到机翼上。使用相位滞后45°~90°的行星曲柄传动机构驱动机翼的后沿，机翼的攻角就变化起来。当攻角大时，升力大，整机有超重感，驱动机翼往下扑，发动机作功，机体重心势能增加，至偏心块转到最上端；当攻角小时，升力小，整机有失重感，驱动机翼往上抬，机体重心势能减少，飞行速度增加，机翼升力作功把偏心块拉到最下端，发动机飞轮加速，回收储备能量供下一个扑翼周期。由于在机体坐标系上偏心块往上走的力大，往下走的力小，力的方向不变，但位移方向相反，所以发动机（或电动机）在一个扑翼周期作出净功，使扑翼机的势能和动能增加。但是另一方面扑翼机作为一架滑翔机，它的势能（高度）在连续流失（按滑翔比35~50）。发动机（或电动机）在一个扑翼周期作出净功，弥补扑翼机的势能损失，就可飞得更高。
行星曲柄传动扑翼机构运动原理:
普通的曲柄连杆摇臂扑翼机构不管有几根连杆和摇臂，曲柄只有一个，而且该曲柄转动轴心是固定的，这种连杆和摇臂运动的高频分量很丰富，引起扑翼机的高频振动和疲劳失效。分析表明，鸟类和昆虫的肌肉收缩的高频振动分量很小，翅膀扑动柔和、和谐。
行星曲柄传动扑翼机构采用两个偏心距相等的曲柄，第一曲柄转动轴心是固定的，第二曲柄转动轴心是在第一曲柄的偏心轴颈上。行星曲柄传动扑翼机构的摇臂通过连杆连在第二曲柄的偏心轴颈上（简称两级曲柄传动）。不论哪个曲柄单独旋转，都可拉动连杆和摇臂，但只相当于普通的曲柄连杆摇臂扑翼机构。当两个曲柄按规律反向同步旋转时，某个正交方向的位移互相抵消为零，另一个正交方向的位移互相叠加。

第一曲柄由电动机或发动机减速驱动旋转。第二曲柄的转动要通过行星齿轮传动，因为它的转动轴心在第一曲柄的偏心轴颈上。这套行星齿轮传动和两级曲柄传动以及连杆和摇臂构成行星曲柄传动扑翼机构。曲柄匀速旋转时，第二曲柄的偏心轴颈作简谐的往复直线运动，减少了扑翼机的高频振动。
鸟类的翅膀运动方式异常复杂同时包含扑动、摆动、变形等，鸟类的感观和大脑每时刻在感受和分析风力、姿态、速度、高度。需要往高飞时，它们会在动能转变为势能的半个周期中用力改变姿态，输出体力，获得更多高度，在另半个周期中势能转变为动能，放松肌肉，恢复姿态。机械难以完全模仿鸟类的翅膀扑动方式。现有的扑翼机模仿了翅膀上下扑动，通过把扑翼后沿系在机身上和扑翼的变形一起模仿了翅膀攻角的摆动，如同蝙蝠的皮膜连在身上，这是被动的摆动，而不是主动的控制机翼攻角，升力波动变化较小，这就制约了现有的扑翼机的载重能力。

行星曲柄传动扑翼机构在完成简谐的往复运动的基础上进一步将机翼后沿主动控制。方法是将机翼后沿用连杆和简谐的往复运动部件相连使机翼后沿在动力驱动下同步运动。机翼前沿和后沿运动是有45~90°相位差的，这就造成机翼前后倾斜角度的变化，即机翼攻角的变化。
行星曲柄传动扑翼机的机翼前沿和后沿运动是有45~90°相位差（φ）的，前沿和后沿位移差不为零。
设机翼前沿摆动铰和后沿球铰的距离为L，前沿位移简略表示为Asin（ωt），后沿位移简略表示为Asin（ωt-φ）:
前沿和后沿位移差X= Asin（ωt）- Asin（ωt-φ）=A*(sin（(ωt-φ/2）+φ/2）-sin（(ωt-φ/2）-φ/2）)=2A*sin(φ/2)* cos（ωt-φ/2），φ为可调常量，可见位移差幅度为4 Asin(φ/2)。

攻角变化略为Atg（2A*sin(φ/2)* cos（ωt-φ/2）/L）。
平动扑翼机布局简图：
应用行星曲柄传动扑翼机构的平动扑翼机布局相当于一架大展弦比的滑翔机，机翼固定时拥有很好的滑翔性能和平稳飞行性能，可以在4~5米每秒的上升气流中翱翔。因为机翼平动的幅度受结构限制，做功能力比较弱，良好的滑翔性能是必需的，例如滑翔比在35以上。

平动扑翼机的左右机翼连在一起，几乎没有变形，就是整体的大展弦比机翼，它不能象鸟翅一样旋转扑动，它的主要运动方式是上下往返平动，如果没有攻角变化的运动，刚性平动扑翼机的机翼上每一点的相对机身的瞬时速度是一致的。平动扑翼机的机翼同样要有攻角变化，使上升和下扑的升力不相等，而在一个姿态循环中做功。行星曲柄传动扑翼机构装在机身内，连接刚性机翼的前沿和后沿。实际机翼的刚度有限，翼展方向有颤振。平动扑翼的强迫的一阶颤振有助于扑翼做功，一阶颤振有摆动扑翼的效果，但要求机翼交变应力在材料可用范围内，在颤振下扑过程中增加攻角和升力，在颤振上扑过程中减小攻角和升力，这需要先进的计算机预测和控制。柔性的平动扑翼的机翼也允许左右驱动有微弱的差异以便引入横向控制，这有赖于未来材料性能的发展。不难理解，普通的滑翔机以机翼作支撑而悬空飞行，而平动扑翼机还要在这个支撑上“荡秋千”而越飞越高。
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