小蜂鸟“大智慧”(中)

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三、扑翼机各分系统设计

1.机翼设计

美国国防先进研究项目局（DARPA）对微型飞行器项目（NAV）的要求包括：机翼很轻，功率消耗很小，既擅长盘旋，又擅长前飞。为了达到以上要求，从技术上必须解决两点：机翼的几何结构如何随着时间变化；这种能满足几何运动要求的机翼如何制造。因为扑翼机的机翼平面形状和翼型设计都要考虑到扑翼时结构和气动性能的剧烈变化，而且扑翼机的机构自由度非常多，所以用它来完成NAV项目的难度比较大。

为了达到预期性能，在具体设计工作开始之前，Aero Vironment团队先制定了一系列详细的技术目标：

a.机翼上扑和下扑过程中，机翼的翼型弯度和迎角要求随相位有规律变化；

b.机翼的重量尽可能轻，以减小转动惯量和整机重量；

c.机翼的附加机构尽可能少，以减小阻力和整机重量；

d.通过控制机翼能调整升力和阻力；

e.机翼要够结实，能经受扑翼的负载和偶尔重着陆；

f.机翼要易于制作，成本要低；

g.视觉外观应该像蜂鸟。

Aero Vironment通过对以往扑翼机项目的研究和一些试验分析，认为用柔性薄膜制作机翼最合适——能随扑动发生适当的被动变形。另外，尽管运用机翼主动控制技术有助行器性能的提高，但因项目时间进度较紧，且现有的技术基础比较薄弱，故放弃了这一想法。

（1）计算设计方法（图15）

机翼的长度和推力都由DARPA限定。Hall和Lebental两人承担了相关的空气动力学计算方法，得到环流分布的最优解，并利用优化的方法选择了合适的翼型和其它参数，运用XFOIL（一个为设计和分析独立翼型编写的互动式程序）计算出其升力曲线和阻力极线。

理论分析表明，扑翼频率应选择较高的值，且扑翼幅度不宜小于180°。此外，为使外观上类似于真正的蜂鸟，机翼翼弦不可过长。

运用计算机程序进行初步设计能提供一个很好的起点，但是对于整个过程来说，仅用计算方法远远不够。第一，扑翼机构的能量损失没有被考虑在内。后来的研发过程证明，扑翼机构的能量损耗和转动惯量都相当大。第二，对于控制机构的设想不符合事实。在之后的实践中，对控制机构的设计做了很多补充和修改。第三，薄膜机翼的扑翼运动非常复杂，很难运用空气动力学方法在计算机中得到精确的结果，很多问题需要在试验设计的环节解决。

（2）试验设计环节

实验设计是Aero Vironment研发机翼的主要方法，之前通过计算设计手段选择的参数也都需要在试验中进行检验。Aero Vironment的研发过程极具创造性，往往是基于丰富的经验和大胆的想象提出多种可能的解决方案，然后用试验加以验证和比较，最终选择效果最好的方案。

Aero Vironment在机翼扑动的航迹上安装了一个止推盘测力计，以测量飞行器的推力。实践表明，虽然这种检测方法会将推力高估10%左右，但比用标准质量物托举检测的方法更便捷有效。

在设计前期，通过推力和电机输出轴功率的比值来衡量机翼的效率。机翼的各种设计方案都被一一付诸实践，以比较效率高低（图16）。因为这一比值易受机翼长度的影响，所以需先将数据进行换算。

在设计过程中，Aero Vironment大量运用了定性分析的方法。如对于机翼的耐久性、制造难度、上下扑动转换点状态（不仅影响效率，而且影响可控性）和听觉隐身能力，都使用了定性分析。与此同时，还运用了频闪观测仪和高速摄像等技术手段，以观察机翼在每一个扑动阶段的状态。

在早期设计阶段，对于机翼的主要目标是可控性，其中包括机翼的弯度和迎角在扑动周期内发生相应变化的特性。向上扑动和向下扑动的转换点最难控制。当接近转换点时，因为机翼大幅度减速，所以空气动力显著减小，惯性成为导致机翼变形的主要原因。通过视觉的定性观察和仪器的定量测量，Aero Vironment总结出一个规律，上、下扑动的转换时间越长，机翼的总体气动性能越差。因此机翼设计的一个重要努力方向就是简化上、下扑动转换过程。

此外机翼的耐用性和制作可重复性也是重要的设计指标之一。扑翼活动比较剧烈，如果耐用性不够，机翼很容易撕裂或磨破，进而导致使用寿命太短和维护成本太高等问题。制作可重复性也很重要，如果制作容易重复，那么左翼和右翼就容易实现比较严格的对称，否则会难以控制飞行。为了提高制作的可重复性，Aero Vironment建造了型架辅助机翼制作。

扑翼机最常用的机翼结构是展向的碳纤翼梁和弦向的碳纤杆，辅以交叉的木条，再在表面覆盖一层薄膜。这种结构的优点是效率较高、易于制造。典型的薄膜机翼如图17所示。

Aero Vironment以此结构为基础，尝试了各种薄膜材料，测试其性能：从完全不透气到有很多小孔的多种薄膜材料；从弹性非常好的到基本没有弹性的；从非常松的到非常紧的；甚至还试造了刚性机翼。在整个扑翼周期中，要控制扑翼沿着翼梁周期性转动。对于翼梁，尝试了各种直径的碳管，以及渐变直径的锥形杆。对于薄膜支撑结构，尝试了传统结构、复合材料结构、甚至胶带、纤维丝加固等方法，共试制了300多种机翼进行测试（图18）。

（3）噪声控制

因为扑翼会使机翼和机身剧烈地振动，所以扑翼飞行方式的噪声通常比固定翼更大。“蜂鸟”通过采用柔性机翼、降低负载、减小结构重量等措施有效减小了噪声。为了进一步分析噪声的各个组分及其形成原因，Aero Vironment使用高速摄像机和录音机设备对飞行器的飞行过程进行了记录和分析，以进一步减小噪声。

用高速摄像机和录音机记录下的视频和音频完全同步，后期将两者合成后可同步显示飞行状态和当时的声音（图19）。上部的视频显示飞行器扑翼的整个周期，特别是上、下扑动的转换点，展示得非常清楚。下部左侧是声压级随时间变化的曲线（红线表示当前时间点），下部右侧是特定时段的噪声频谱分布图。