微型飞行器的设计原则和策略

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJan，252016Vol37No169—80ISSN1000。6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaaedu．cn微型飞行器的设计原则和策略昂海松*南京航空航天大学微型飞行器研究中心，南京210016摘要：为了探索微型飞行器(MAV)总体设计方法，在简要介绍微型飞行器的概念与技术难点的基础上，笔者根据多年的MAV研究和试验，提出了对微型飞行器设计原则的思考，阐述了研究性和实用性MAV以及固定翼、扑翼和旋翼等不同类型MAV的设计特

2、点。通过MAV设计的矛盾与协调关系、设计方法和优化问题说明了MAV设计的特殊性。最后，展望了微型飞行器设计的发展方向，为微型飞行器总体设计研究提供了参考思路。关键词：微型飞行器；总体设计；技术难点；设计原则；设计策略中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)01—0069—12微型飞行器(MAV)是20世纪90年代开始提出的新概念技术。自1997年美国国防高级研究计划局(DARPA)正式启动微型飞行器基础技术研究到现在十多年时间，受到各国许多著名大学和研究机构的热情响应和探索研究。美国与欧洲等举办多次微型飞行器的表演与比赛，

3、出现了多种形式、大小不同、形状新颖的微型飞行器试验机。目前，微型飞行器技术向基于两个不同目的的方向发展。一类是研究性MAV的发展。以大学为主要研究力量，仍然苦苦追寻着DARPA于1996年讨论的“15cm尺寸”的目标[1]，研制出各种各样探索性的微型飞行器，如图1所示，有固定翼、扑翼和旋翼3类微型飞行器[2]。从各国微型飞行器的表演与比赛作品可以看出，其形式多样，但多数还是遥控飞行表演，少数具有一定的自主飞行控制与导航能力。美国Florida大学已研制出新型的15cm微型飞行器并成功飞行，处于15cm尺寸微型飞行器研制的领先水平。微型共轴双旋翼飞行器和四轴螺旋

4、桨微型飞行器，以其可在空中悬停而引起很多人的兴趣。一大批科技工作者苦苦研究和探索，寻找新的突破口，因此才有美国加州大学伯克利分校研制的25mm大的“机器苍蝇”(MicromechanicalFlyingInsect)和哈佛大学研制的30mm大的“FlyingRoboticInsects”，尽管目前它们只是无控制地扑动“飞行”很一小段距离。另一类是实用性MAV的发展。DARPA和军方同时把注意力投向军事实用性。自2001年起，美国国防部将MAV列入先期概念技术演示(AdvancedConceptTechnologyDemonstration)计划。虽然DARPA

5、曾提出150mm的研制计划，但目前难以应用于实际。由于军事上需求较迫切，在众多探索性微型飞行器中，2006年，美国DARPA和军方选择一些实用可行性更大、但尺寸也更大的微型飞行器作为微型空中侦察装备，进入“演示验证”和战场上试用，如图2所示[2]。收稿日期：2015．08．11：退修日期：2们5—10—21；录用日期：2015-11·22；网络出版时间：2015-11-2709：22网络出版地址：ⅥO,NW．cnkinet／kcms／detail／11．1929．V．20151127．0922．002．html基金项目：机械结构力学及控制国家重点实验室开放课题

6、(1001一IZDl5001—1505MCMS-0415G01)*通讯作者．Tel：025·84896205E—mail：ahs@nuaa．eduCR引用榕武

7、帚海松．微型飞行器的设计骧弛和策略!J]．航空学摄．2016t37(1)：69-80．ANGHS．Designprinciplesandstrategiesofmi—croairvehiclefJ]．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(，)：69-80．航空学报鞫图1研究中的15cm或更小的微型飞行器ⅢFig．115cmorlessmicroairve

8、hicleunderresearch：2图2美围应用于军方的微型飞行器”Fig．2MAVappliedtOUSmilitary『2美国航空环境(AeroVironment)公司最早研制的“黑寡妇”(BlackWidow)MAV采用固定翼方案。其第一代和第二代产品(150mm)于2000年通过试飞实验，曾名喧一时。其中第二代“黑寡妇”MAV，质量为80g，可连续飞行30min，后因承载能力太弱而停止研制。公司改为研制“黄蜂”系列(WASP)MAV，其中WASPI型翼展为330mm，WASPII型翼展为410mm。该公司还研制了由燃料电池驱动的“大黄蜂”(Horn

9、et)，该MAV翼展为380mm。20