劉任如歌?曹著明

摘 要：撲翼機(jī)是一種能像鳥(niǎo)那樣煽動(dòng)翅膀飛行的機(jī)器，也是基于仿生學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)模仿鳥(niǎo)類或昆蟲(chóng)飛行的新概念飛行器。它不但囊括了固定翼和旋翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有較好的隱蔽性和機(jī)動(dòng)性。此外，撲翼飛行器具有特殊的空氣動(dòng)力學(xué)特性。研制撲翼機(jī)對(duì)未來(lái)航空業(yè)的發(fā)展很有必要，本文講述了當(dāng)今撲翼機(jī)的發(fā)展，介紹了撲翼機(jī)的實(shí)踐研制過(guò)程，并對(duì)實(shí)踐研制的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：撲翼機(jī) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 研究

一、撲翼機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史

撲翼機(jī)是一種能像鳥(niǎo)那樣飛行的機(jī)器，也是基于仿生學(xué)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)模仿鳥(niǎo)類或昆蟲(chóng)飛行的新概念飛行器。它不但囊括了固定翼和旋翼飛行器的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有較好的隱蔽性和機(jī)動(dòng)性。此外，撲翼飛行器具有特殊的空氣動(dòng)力學(xué)特性。

對(duì)于撲翼飛行的設(shè)想由來(lái)已久。在西漢時(shí)期，就傳說(shuō)有人用大鳥(niǎo)的羽毛制作了兩個(gè)特別大的翅膀，然后這人扇動(dòng)著這兩個(gè)翅膀從高處飛下，雖然他只飛了大約幾百步遠(yuǎn)就命喪黃泉，但卻是一種難能可貴的嘗試。在之后的數(shù)千年中，在英國(guó)、阿拉伯、土耳其也有人做過(guò)類似的試驗(yàn)。不過(guò)，這幾個(gè)人并不都是那么幸運(yùn)。據(jù)說(shuō)，除了一個(gè)土耳其人飛行了好幾公里遠(yuǎn)外，另外的人要么摔斷了腿，要么墜地而死，釀成了不少悲劇。直到15世紀(jì)，意大利的天才設(shè)計(jì)家達(dá)·芬奇設(shè)計(jì)了一種像鳥(niǎo)一樣撲翼的機(jī)械，此機(jī)械裝有翅膀，能用腳來(lái)進(jìn)行撲動(dòng)。這興許是現(xiàn)代撲翼機(jī)的前身。1930年，一位意大利人制作了一個(gè)撲翼機(jī)模型并且進(jìn)行過(guò)了試飛，該機(jī)全重約22.7千克，裝有一臺(tái)推力為0.37千瓦的發(fā)動(dòng)機(jī)，這可以說(shuō)是世界上第一種有發(fā)動(dòng)機(jī)的撲翼飛機(jī)。

在形形色色的撲翼機(jī)的設(shè)計(jì)方案中，有的形如蝙蝠，具有薄膜似的撲動(dòng)翼面；有的裝有帶縫隙和活門的撲動(dòng)翼，具有類似飛鳥(niǎo)翅膀的作用。不少科學(xué)家、工程師和業(yè)余愛(ài)好者都在致力于撲翼機(jī)的研究工作。隨著現(xiàn)代材料、動(dòng)力、加工技術(shù)，特別是微機(jī)電技術(shù)（MEMS）的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多院校、企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)等部門能夠制造出接近實(shí)用的各類撲翼飛行器。這些飛行器從原理上可以分為仿鳥(niǎo)撲翼和仿昆蟲(chóng)撲翼，它們主要以微小型無(wú)人撲翼機(jī)為主，也不乏有大型載人撲翼機(jī)。這些撲翼飛機(jī)中所采用的仿鳥(niǎo)撲翼的撲動(dòng)頻率低，翼面積大，類似鳥(niǎo)類飛行，制造相對(duì)容易；另一些則是仿昆蟲(chóng)撲翼，這種撲翼?yè)鋭?dòng)頻率高，翼面積小，制造難度高，但可以實(shí)現(xiàn)懸停的優(yōu)點(diǎn)。

二、通用撲翼機(jī)

大多數(shù)院校和企業(yè)等研制的撲翼機(jī)結(jié)構(gòu)，它由減速齒輪組、撲翼機(jī)構(gòu)、舵機(jī)、電機(jī)、接收機(jī)、電池等所組成。其撲翼機(jī)構(gòu)采用的是最普遍的減速齒輪搖臂式撲翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。一般而言，撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由機(jī)架、輸入桿、左右翅膀桿和連接桿件組成的。機(jī)架為飛行器機(jī)身，輸入桿連接撲翼機(jī)構(gòu)動(dòng)力源，連接桿件為除機(jī)架、輸入桿和左右翅桿之外的桿件，左右翅膀桿為使機(jī)翼產(chǎn)生上下?lián)鋭?dòng)的桿件。輸入桿獲得動(dòng)力后，帶動(dòng)其他桿件，使左右翅膀桿產(chǎn)生撲動(dòng)從而提供升力和推力。兩個(gè)舵機(jī)的作用是控制水平尾翼和垂直尾翼的活動(dòng)，和一般的固定翼飛機(jī)一樣；電機(jī)為撲翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供足夠的動(dòng)力；在撲翼機(jī)結(jié)構(gòu)中的“水平放物架”可以用來(lái)放置電池、電子調(diào)速器、接收機(jī)等零部件以及各種載荷。

三、撲翼機(jī)實(shí)踐研制

現(xiàn)今，由于各類四旋翼航空模型和無(wú)人機(jī)在被廣泛使用，并且又有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱容易等特點(diǎn)。所以筆者提出一種不同于市面上和各大院校所研發(fā)的別出心裁的設(shè)計(jì)，也為了滿足消費(fèi)者的求異心理，筆者設(shè)計(jì)了一架四撲翼遙控飛機(jī)——即想方設(shè)法把傳統(tǒng)的四軸機(jī)的螺旋槳拆掉，并且在原來(lái)的四個(gè)馬達(dá)上分別裝上四個(gè)撲翼驅(qū)動(dòng)器。筆者決定制作一臺(tái)小型遙控?fù)湟頇C(jī)樣機(jī)并進(jìn)行試飛，以證明與四軸飛行器原理大致相同的撲翼飛行器的可行性。

由于網(wǎng)上只出售一種用于充電電容手拋玩具飛機(jī)所使用的雙搖柄結(jié)構(gòu)撲翼減速齒輪組，所以筆者直接選購(gòu)四個(gè)網(wǎng)上出售的雙搖臂式撲翼驅(qū)動(dòng)減速齒輪組和塑料機(jī)翼薄膜組裝到一臺(tái)微型四旋翼遙控玩具的四個(gè)馬達(dá)上，即可實(shí)現(xiàn)四軸機(jī)和傳統(tǒng)仿生固定翼?yè)湟頇C(jī)的部分或全部功能。圖1是筆者所設(shè)計(jì)并制作的撲翼試驗(yàn)樣機(jī)的草圖，它由電路板、電池、機(jī)臂、減震海綿和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。其中電路板是從一架微型四軸機(jī)玩具上取下來(lái)的，包含了接收器、電子調(diào)速器；機(jī)臂，負(fù)責(zé)連接電路板與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。為了抵消驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的震動(dòng)，用減震海綿連接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)臂。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為淘寶網(wǎng)上常見(jiàn)的雙搖臂減速齒輪組，它們?cè)陔妱?dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下可以進(jìn)行周期性上下?lián)u動(dòng)，使它們的安裝插頭上安裝的作為機(jī)翼的塑料薄膜產(chǎn)生撲動(dòng)，從而向下產(chǎn)生推力，當(dāng)推力大于全機(jī)所受的重力時(shí)，飛機(jī)即可起飛。

該機(jī)的原理是這樣的：向下扇動(dòng)的撲翼機(jī)翼所產(chǎn)生的推力大于全機(jī)的重量，飛機(jī)即可升空，在飛機(jī)向某個(gè)方向飛行時(shí)，預(yù)計(jì)飛行方向的相對(duì)方向的兩個(gè)或三個(gè)撲翼會(huì)加快扇動(dòng)速度，在預(yù)計(jì)前進(jìn)方向上產(chǎn)生外力，使飛機(jī)朝著那個(gè)方向移動(dòng)，正如傳統(tǒng)的四軸飛行器一樣。由于這臺(tái)樣機(jī)沒(méi)有螺旋槳，所以根本無(wú)法像傳統(tǒng)的四周機(jī)一樣加快對(duì)側(cè)兩個(gè)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速來(lái)產(chǎn)生足夠的扭矩使飛機(jī)原地旋轉(zhuǎn)，況且增加新的部件又會(huì)增加全機(jī)重量。這架樣機(jī)的制作目地本來(lái)就是驗(yàn)證新式結(jié)構(gòu)的飛行可行性，即要驗(yàn)證飛機(jī)能否順利起飛，所以可以取消飛機(jī)的原地旋轉(zhuǎn)能力，因?yàn)檫@個(gè)功能與本次試驗(yàn)的最初目的無(wú)關(guān)。

由于一個(gè)包括四個(gè)機(jī)翼和一個(gè)齒輪組的驅(qū)動(dòng)單元相對(duì)于作為載體的微型四軸機(jī)實(shí)在是過(guò)于龐大，筆者測(cè)得微型四軸機(jī)兩個(gè)馬達(dá)的間距為50毫米，而整個(gè)撲翼驅(qū)動(dòng)單元在全周期內(nèi)的伸縮范圍在260毫米到275毫米之間，如果按照原來(lái)的構(gòu)想來(lái)組裝，四個(gè)撲翼驅(qū)動(dòng)單元之間一定會(huì)發(fā)生沖突，無(wú)法安裝，更無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所以筆者在微型四軸機(jī)四個(gè)馬達(dá)的位置安裝了四個(gè)機(jī)臂，另外把馬達(dá)與電路板連接的導(dǎo)線全部剪斷，再用焊接的方式連接被剪斷的部分，相當(dāng)于延長(zhǎng)了原來(lái)的導(dǎo)線，使四個(gè)撲翼驅(qū)動(dòng)單元之間彼此各有一定的距離，使它們無(wú)論是安裝還是運(yùn)動(dòng)都不發(fā)生沖突。通過(guò)運(yùn)用三角函數(shù)公式的計(jì)算得知，大約要做出四個(gè)長(zhǎng)度為130毫米的機(jī)臂才能使四個(gè)撲翼驅(qū)動(dòng)單元所包括的16副機(jī)翼的活動(dòng)不受彼此的影響。筆者使用了食堂的吸管作為機(jī)臂的材料；動(dòng)力方面，推測(cè)四個(gè)馬達(dá)大概能帶動(dòng)160克的質(zhì)量，整機(jī)大概100克，用原來(lái)四軸機(jī)上的馬達(dá)可能夠用，不做變動(dòng)。在組裝完畢后，全機(jī)尺寸為280毫米×280毫米，使用四個(gè)小型空心杯電機(jī)作為動(dòng)力，機(jī)架為原來(lái)微型四軸機(jī)所使用的電路板，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為從網(wǎng)上買到的雙搖臂減速齒輪組，一共四個(gè)，帶動(dòng)十六個(gè)塑料薄膜機(jī)翼扇動(dòng)產(chǎn)生升力。在組裝完成之后，筆者立即開(kāi)始了試飛。試制撲翼機(jī)為四旋翼結(jié)構(gòu)，主要由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、減震海綿、機(jī)臂、電路板和電池組成。endprint

四、小結(jié)

實(shí)際試飛的結(jié)果，不盡如人意，一共進(jìn)行兩次升空試驗(yàn)，其中第一次試驗(yàn)時(shí)飛機(jī)共留空2秒，第二次共留空1秒，兩次都是從手掌上起飛（飛機(jī)重量很輕）后就迅速跌落，第二次甚至在空中發(fā)生解體散架，其中一個(gè)機(jī)臂從安裝孔中脫落。通過(guò)該次實(shí)踐，對(duì)撲翼機(jī)有如下經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：可能方向錯(cuò)誤地安裝了機(jī)翼；由于撲翼機(jī)固有的缺點(diǎn)就是消耗能量較大，電動(dòng)機(jī)所放出的動(dòng)能部分因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)的相互摩擦而內(nèi)能消耗，再加上驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的推力很小，所以可以很容易地驅(qū)動(dòng)固定翼飛機(jī)升空，而難以讓非固定翼飛機(jī)升空。正因如此，其他院校和機(jī)構(gòu)所研制過(guò)的撲翼飛機(jī)大多都是固定翼飛機(jī)；該樣機(jī)的機(jī)架和機(jī)臂的質(zhì)量相對(duì)于減速齒輪雙搖臂式撲翼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所提供的升力來(lái)說(shuō)，質(zhì)量實(shí)在過(guò)大，所以根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)升空，更無(wú)法飛行。

即使這臺(tái)樣機(jī)還有許多的弊端，但是筆者相信在它還可能會(huì)飛起來(lái)，它的弊端及克服與解決方法有：針對(duì)機(jī)翼煽動(dòng)時(shí)無(wú)法提供較大的升力的問(wèn)題，增大每個(gè)機(jī)翼的面積，并且減少機(jī)翼的數(shù)量，使用密度更小、強(qiáng)度也有所保證的材料，并且保證機(jī)翼的結(jié)構(gòu)能讓機(jī)翼在每一個(gè)周期的煽動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生更大的推力；針對(duì)機(jī)架部分（指那架試飛失敗的樣機(jī)的塑料管機(jī)臂和電路板的結(jié)合體）相對(duì)電機(jī)和作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的雙搖臂減速齒輪組所能提供的向下的推力來(lái)說(shuō)既笨重又不夠堅(jiān)固，所以要用輕便且有一定強(qiáng)度的材料制作機(jī)架，讓它不至于在空中被撕裂散架，針對(duì)動(dòng)力不足，可以采用推重比足夠大的無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)撲翼的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)?？傊?，要想研制成功，不僅要消除上述的弊端，還要平衡好全機(jī)各部分重量和電機(jī)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的推力，并進(jìn)行深入研究各種理論基礎(chǔ)，勇于嘗試，就能研制成功撲翼機(jī)。

本文分別介紹了現(xiàn)今撲翼機(jī)的發(fā)展情況，個(gè)人的撲翼機(jī)實(shí)踐研制的過(guò)程、結(jié)果、實(shí)踐總結(jié)以及改進(jìn)方案。對(duì)今后的撲翼機(jī)研發(fā)提供了部分參考。

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（作者單位：北京電子科技職業(yè)學(xué)院）endprint