微型飛行器的設(shè)計(jì)原則及策略

都本海

[摘 要]根據(jù)多年以前的微型飛行器的實(shí)驗(yàn)和研究，對微型飛行器的設(shè)計(jì)原則提出了思考，對實(shí)用性和研究性的微型飛行器以及不同類型的微型飛行器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)的分析和闡述，簡單的對微型飛行器的概念和技術(shù)難點(diǎn)做出了介紹，設(shè)計(jì)了探索微型飛行器總體的辦法，通過對微型飛行器設(shè)計(jì)的矛盾和協(xié)調(diào)方法以及優(yōu)化問題的研究，闡述了微型飛行器的設(shè)計(jì)特殊性，最后提供了微型飛行器總體設(shè)計(jì)的參考思路，并對微型飛行器設(shè)計(jì)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

[關(guān)鍵詞]微型飛行器；設(shè)計(jì)；技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)策略

中圖分類號：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）17-0289-01

在20世紀(jì)90年代就開始提出了微型飛行器的新技術(shù)概念，微型飛行器基礎(chǔ)研究是在1997年由美國國防高級研究計(jì)劃局提出的，這項(xiàng)研究提出已經(jīng)接近二十年的時(shí)間了，在這二十年里這項(xiàng)研究受到了世界各國科學(xué)家和相關(guān)機(jī)構(gòu)的熱情相應(yīng)，在美國和歐洲已經(jīng)多次的舉辦 由微型飛行器進(jìn)行的比賽和表演，許多形式、大小不同的微型飛行器試驗(yàn)機(jī)的出現(xiàn)。現(xiàn)在，微型飛行器的有兩個(gè)不同的發(fā)展方向[1]。一個(gè)是研究性微型飛行器的發(fā)展，它的研究主要力量是大學(xué)，以研究各種的探索性的微型飛行器；另一種是實(shí)用性的微型飛行器，但是美國國防高級計(jì)劃局和軍事部門把這類微型飛行器的應(yīng)用投入到了軍事實(shí)用上了，主要是作為空中偵察機(jī)和識別爆炸裝置。

一、 微型飛行器設(shè)計(jì)的原則

1、研究性微型飛行器

微型飛行器到目前為止仍然是探索類的新概念飛行器，還需要長時(shí)間的探索才能完成微型飛行器的題型、構(gòu)造和功能的研究，所以是非常有必要去探索研究性微型飛行器的。研究性微型飛行器的研究的實(shí)用目標(biāo)不一定明確。研究的目的主要是探究研究性微型飛行器的動(dòng)力和能源、尺寸效應(yīng)、飛行控制方向、執(zhí)行任務(wù)功能、系統(tǒng)的超微型化、承載能力、構(gòu)型和布局、避障功能等。因此，推動(dòng)與研究性微型飛行器小尺寸相適應(yīng) 的設(shè)計(jì)和智能控制辦法依然是微型飛行器的發(fā)展方向。

2、實(shí)用性微型飛行器

由于微型飛行器的體積小、靈活性強(qiáng)、便于偵查等特點(diǎn)成為了在特殊環(huán)境下作戰(zhàn)的新型作戰(zhàn)模式，所以研制當(dāng)前需求的實(shí)用性微型飛行器也是很重要的。但是由于現(xiàn)階段的的動(dòng)力、能源、材料、系統(tǒng)模塊、任務(wù)裝置、微細(xì)加工的方面的局限性，要想使實(shí)用性微型飛行器具有一定的實(shí)用功能，需要突破這些方面的局限性。但是相對于研究性微型飛行器要放寬對實(shí)用性微型飛行器的尺寸要求，這樣才能保障實(shí)用性微型飛行器能夠承載足夠的重量和能源，以及強(qiáng)大的抗風(fēng)能力。

3、微型飛行器類型的選擇

微型飛行器和普通的常規(guī)無人機(jī)在外形上有著很大的不同，因?yàn)槲⑿惋w行器的飛行結(jié)構(gòu)是在它微小尺寸的的限制下去進(jìn)行研制的?，F(xiàn)有的微型飛行器分為旋翼微型飛翔器，固定翼微型飛行器和撲翼微型飛行器三大類，這個(gè) 分類是根據(jù)飛行原理的角度進(jìn)行分類的。這是由于現(xiàn)在實(shí)用微型飛行器的產(chǎn)品比較少，不能夠按照常規(guī)無人機(jī)那樣根據(jù)使用性能分類，微型飛行器的選擇是根據(jù)使用要求來進(jìn)行選擇的。

4、微型飛行器的技術(shù)要求

微型飛行器的技術(shù)既有普通無人機(jī)那樣環(huán)境適應(yīng)性和飛行性能已基本經(jīng)濟(jì)性的要求，又要強(qiáng)調(diào)隱身和狹小空間飛行等特殊要求。微型飛行器的設(shè)計(jì)必須根據(jù)具體技術(shù)指標(biāo)的確定，進(jìn)行精心的綜合設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)，經(jīng)過反復(fù)的修改才能達(dá)到所期望的技術(shù)要求。

三、微型飛行器設(shè)計(jì)的策略

1、微型飛行器設(shè)計(jì)的矛盾和協(xié)調(diào)

由于微型飛行器的體積小和集成度高的特點(diǎn)，所以改變?nèi)魏我粋€(gè)技術(shù)部指標(biāo)都會對整個(gè)飛行器造成不可轉(zhuǎn)變的后果，因此微型飛行器的設(shè)計(jì)必須采用整體綜合設(shè)計(jì)，不能按照常規(guī)無人機(jī)那樣各個(gè)系統(tǒng)獨(dú)自設(shè)計(jì)[2]。微型飛行器小的特點(diǎn)在設(shè)計(jì)和制造上會出現(xiàn)一系列的矛盾，但是這些矛盾不能夠單個(gè)獨(dú)立的去解決，因?yàn)樗鼈兪窍⑾⑾嚓P(guān)的。如果在微型飛行器的設(shè)計(jì)上嚴(yán)格限制微型飛行器的尺寸，又希望完成某項(xiàng)特定的指標(biāo)，有的時(shí)候是幾乎不可能的事， 所以需要設(shè)計(jì)部門進(jìn)行反復(fù)的研究實(shí)驗(yàn)，使設(shè)計(jì)要求達(dá)到最高。

2、微型飛行器設(shè)計(jì)方法的特殊性

由于微型飛行器句具有非線性，非定常力學(xué) 這些特征，所以微型飛行器的設(shè)計(jì)已經(jīng)不適合使用線性空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算的方法，而是需要流動(dòng)力學(xué)來支撐微型飛行器設(shè)計(jì)。并且在撲翼氣動(dòng)特性這樣大幅邊界運(yùn)動(dòng)的計(jì)算時(shí)，還要設(shè)計(jì)非定常流場的良好動(dòng)態(tài)網(wǎng)格生成技術(shù)。既可以使用結(jié)構(gòu)變形的柔性撲翼的非定常流場設(shè)計(jì)又有部件大幅運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)。此外，需要建立特殊的控制模型，來解決撲翼微型飛行器的升力控制和推力控制耦合問題，和多旋翼微型飛行器的姿態(tài)控制與軌跡控制耦合問題。

3、微型飛行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化

只有進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的微型飛行器才能讓人滿意，但是微型飛行器的單項(xiàng)優(yōu)化方向由于微型飛行器尺寸小和系統(tǒng)高度集成而行不通。所以進(jìn)行微型飛行器必需的途經(jīng)就是協(xié)調(diào)綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，而多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化正是微型飛行器需要的。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化是最近幾年興起的一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，它可以解決一些復(fù)雜工程系統(tǒng)和多學(xué)科動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問題，主要是通過各個(gè)學(xué)科產(chǎn)生的協(xié)同作用來對整體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。要想取得最佳的微型飛行器的設(shè)計(jì)結(jié)果，就必須采用多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[3]。從科學(xué)角度上來講，微型飛行器的技術(shù)是“被逼”出來的。微型飛行器的研究設(shè)計(jì)不同于常規(guī)無人機(jī)的設(shè)計(jì)原理，必須從綜合設(shè)計(jì)出發(fā)采用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，對微型飛行器進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，從而設(shè)計(jì)研制出尺寸雖小性能要求很高的新型微型飛行器。

三、結(jié)語

微型飛行器技術(shù) 的正式研究只有將近二十年的時(shí)間，到現(xiàn)在它的發(fā)展仍然處于起步階段。根據(jù)各方面的研究，要想設(shè)計(jì)研制出尺寸和性能雙贏的微型飛行器，需要研究人員花費(fèi)大量的時(shí)間在力學(xué)、微電子技術(shù)的研究上。從微型飛行器出現(xiàn)以來。它就是人們心中微小、靈活、智能化的化身。它就像鳥一樣 自由飛翔，又像蜜蜂一樣潛行無蹤。微型飛行器的發(fā)展，不僅僅擁有更多的構(gòu)型，還需要更高的科技效果，而這需要微型飛行器的研究人員進(jìn)行更多的設(shè)計(jì)研究。其實(shí)反過來看，微型飛行器也是在推動(dòng)著無人飛行器的發(fā)展，無形中也在促進(jìn)著微系統(tǒng)的人發(fā)展，促進(jìn)各個(gè)學(xué)科的交叉發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]昂海松.微型飛行器的設(shè)計(jì)原則和策略[J].航空學(xué)報(bào)，2016，37（1）：69-80.

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[3]陳皓生，陳大融，徐軍等.一種微型飛行器測控系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2001，22（z2）：110-111.