微型飞机的技术归纳

微型飞机的总结~

首先，给大家介绍了微型飞机的概念，用途及种类，二，给大家介绍了微型飞机的发展现状。第三，给大家介绍了微型飞机的若干关键技术与面临的挑战，我们归纳为七个关键技术它们分别是低雷诺数的空气动力学问题，高推重比的微型动力系统，大容积重量比的结构设计技术，飞行稳定性操纵性与控制技术，弱功率信号下的超视距遥控导航信息传递技术，多学科设计优化基础，以及基于微机电的加工与制造技术。微型飞机由于其具有特殊的作用和低廉的价格，因此，发展微型飞机和相关的技术是客观需要的。这种需要使我们面临着许多技术上的挑战，这些技术上的挑战，既涉及到空气动力学，推进系统，结构材料与设计等，传统的航空技术领域，又涉及到微机电设计与制造等新型的学科领域，我们只有面对这些挑战，采取，科学求实的态度，去解决这些问题，才能最终战胜这个挑战。并且实现航空技术上的又一次的飞跃。

前面我们给大家介绍了微型飞机的概念，它的主要用途和它的类别，下面给大家介绍一下微型飞机发展的现状，那么，为了让大家对微型飞机的概念有一个初步的了解，我们先选择一些有代表性的微型飞机，来看它的一些主要的参数。我们所看到这架飞机它的名称叫黑寡妇，它是由美国环境航空公司研制的圆盘形的微型飞机，飞机的全重，它的全机重量仅仅60克，其中，动力系统，动力系统包括电池，电机，减速器和螺旋桨37克，飞机结构重量10克，比例控制系统重6克，任务载荷，包括摄像机，传输系统7克。1993年3月22日，黑寡妇飞机创造了该类飞机的多项世界纪录。包括巡航时间22分钟，飞行距离16公里，巡航速度每秒12米，俯冲速度达到每秒20米。我们再看看另外一种具有代表性的微型飞机，它的名字叫卫星，它是由美国的桑得公司和洛克希德马丁公司联合研究的，飞机机翼翼展15厘米，起飞重量85克，其中有效载荷18克，动力源44.5克，电力发动机13.5克，它的主要技术指标为巡航速度每小时48公里，飞机距离5.6公里，续航时间20分钟。下面呢，主要给大家介绍一下自1997年到2001年在美国举办的每年一度的国际微型飞机竞赛情况。我们看到这幅图是从1997年到2001年这5年，每年获得国际微型飞机竞赛冠军的飞机它的机翼的翼展。随着比赛年度的变化情况。1997年的时候，它的冠军飞机微型飞机它的翼展大约在24英寸左右，1998年的时候，降到了15英寸，1999年，进一步降到了12英寸左右。2000年降了10英寸左右，到2001年，大约在6英寸左右，6英寸这个数量级就是我们15厘米这个数量级。从这条线上可以看出来，近几年来，微型飞机的翼展随着时间的推移，呈一个直线下降的趋势。那么我们给大家介绍一下2001年参加国际微型飞机竞赛的相关单位及飞机，以便大家对这方面的情况有一个初步的了解，我们看到这三幅图是2001年佛罗里达大学研制的微型飞机，那么这架微型飞机是很有特点的它的机翼是像鸟的羽毛一样，另外它可以展开也可以收起，我们看到上面这两幅图就是它机翼展开的情况。而下面这幅图是它机翼收起的情况。我们看到这两幅图是圣玛利亚大学研究的飞机。那么在右上图这架，微型飞机放在了一架称重器，上，而称重器上显示了一个数字，96.1，那么这个也就说明这架微型飞机的重量是96.1克，可见它是非常轻的。我们所看到的这两幅图分别是美国的brigham－young大学的微型飞机，和亚利桑那大学的微型飞机。左上图的微型飞机就是brigham－young大学的微型飞机，这种微型飞机它有独特的布局，它是一种双飞翼的布局，有双层的机翼。右下图是亚利桑那大学参加2001年国际微型飞机竞赛的飞机，它的尺寸也是非常小的。上面我们给大家介绍了微型飞机在国外的发展现状，那么在研究和发展微型飞机的过程里面，我们需要解决很多问题。那么，下面，我们给大家介绍一下微型飞机的若干关键技术与面临的挑战，经过归纳与总结，我们将发展和研究微型飞机的关键技术归纳为7条。

第一条，就是低雷诺数的空气学问题。
第二条，高推重比的微型动力系统，
第三条，大容积重量比的结构设计技术。
第四条，飞行稳定性操纵性与控制技术。
第五条，弱功率信号下的超视距遥控导航信息传递技术。
第六条，多学科设计优化技术。
第七条，基于微机电的加工与制造技术，微机电就是我们经常提到的MEMS技术。
那么，这7条关键技术是我们归纳和总结出来的研究和发展微型飞机所必须解决的问题，也就是说是我们面临的挑战。那么为了对这些问题有一个进一步的认识，我们下面做一些比较详细的介绍。
空气学问题
首先我们来看看低雷诺数的空气动力学问题，为了让大家对低雷诺数空气动力学问题有一个更加清楚了解，我们首先来看一看雷诺数的定义。雷诺数是这样定义的，在对流动空气的控制方程进行无量纲和的时候，方程中出现相似参数，而雷诺数就是其中最重要的相似参数。这里所说的控制方程，那么就是我们说的空气在流动过程中，它应该遵守的能量守恒的方程和动量守恒的方程，雷诺数的表达数可以写成这样一个式子，ρ（读音：柔），VL/μ（读音：谬），其中ρ（读音：柔）表示气体的密度，它是一个在正常空气条件下是不变的，V代表气流和飞行器的相对速度，L代表飞行器的长度，μ（读音：谬）表示气体的粘性常数，雷诺数它的物理意义是什么呢？实际上它反映了空气动力中，惯性力和粘性力的相对大小。什么是惯性力呢？就是M乘A，M就是流动空气的质量，A就是它的加速度，什么是粘性力呢？就是飞行器在空气中飞行的过程里面所受到的阻力，雷诺数很小是，粘性的效应很突出，而雷诺数很大的时候，粘性效应可以忽略不记。
因此，我们通常所研究的大雷诺数的空气动力学问题和我们在设计微型飞机的时候，所用到的低雷诺数的动力学问题有本质的区别。那么，在对大飞机而言，我们知道，大飞机的飞行速度一般都是非常高的，一般我们达到超音速的状态，特征尺寸也是非常大的，因此，雷诺数的数值也是非常高的。而对于微型飞机来讲，因为它的飞行速度是比较慢，另外它也非常小，所以它的雷诺数的数值是非常小的。那么，这两种空气动力学问题它的机理和它的研究方法都有本质性的差别，需要我们进一步深入地研究。
那么，下面我们来看一看，雷诺数与飞机大小的关系，以便大家留下一个直观的印象，因为，雷诺数的数值是非常大的通常以百万作为单位，以Mill作为单位，对于波音737这样的大型飞机它的雷诺数大约在100个百万左右，对于正常的无人机而言，常规的无人机而言它的雷诺数大约在一个百万到10个百万之间，而对于像老鹰这样的飞行物，它雷诺数大概在10万到百万之间，而，像我们所关心的MAV，也就是微型飞机它的雷诺数大概在10的四次方，到10的5次方之间。对于像蝴蝶这样的飞行物，它的雷诺数大约在10的3次方到10的4次方之间。我们从这个图上可以看出，波音737这样的大型飞机，它的雷诺数和我们所关心的微型飞机这样的雷诺数它的量级差别是很大的。因此，在空气的流动机理和它的研究方法上面，有本质性的差别，那么，如何解决这一问题呢？它的解决方法跟常规的大型飞机的空气动力学解决方法，思路是相同的。也就是说无外乎是数值模拟的办法和气动实验的办法。那么我们所看到这幅图实际上是用数值模拟的办法，模拟微型飞机在低于雷诺数空气中，流动的情况。那么，对一个发展到对一个简单物体，像球，圆柱这样一些物体，我们可以很好地用数值方法来模拟它们在低雷诺数空气中的流动的情况。而对于像微型飞机飞行器这样具有复杂外形的几何体，我们需要研究它在低雷诺数空气中的流动的机理和它的数值模拟方法。
下面我们来看看，研究和发展低雷诺数空气动力学第二个基本途径，也就是风洞及实验技术。那么，对于微型飞机而言，我们要发展和研究微型飞机，就需要进行风洞实验，这时，我们需要特种的风洞来支持这个实验，这种特种的风洞需要具有两个特点。第一个就是它的低雷诺数要求，这点是大家很容易理解的，为什么呢？微型飞机是在低雷诺数空气中飞行的，另外一个要求就是它的低湍流度要求，那么为什么有低于湍流度要求呢？主要是要求微型飞机所受到空气动力和它的力矩它的量值是非常小的。如果说，风洞中的流动品质不是很好，那么，空气流动的扰动，所产生的力和力矩它的量级足以和正常飞行情况下真正在微型飞机上产生的真正的升力和它的力矩，它的量级是差不多的，这样就会影响到我们整个测量的精度，因此，我们要求这种特种风洞具有低湍流度，同时满足这两个条件的风洞在世界上也不是很多见的，也是比较少见另外，有关微型飞机所受的空气动力和它的力矩都非常小因此在正常的风洞里面所产生的风洞的控制系统，它的测力系统和它的包括模型的悬挂系统，那么都需要重新地设计和改进，这样才能满足微型飞机设计的要求。
我们在研究和发展微型飞机的时候，所碰到第二个关键技术就是高推重比的微型动力系统。我们知道，动力是飞机的心脏，那么，高推重比的微型动力系统，我们对于高推重比的微型动力系统而言，有三个问题需要解决，第一个问题就是需要解决高效率的螺旋桨的设计技术，为什么提出这样一个问题？因为我们从下面的介绍可以看出，世界上所研制的微型飞机大多数都是用电动机来带动螺旋桨，使飞机飞行的，那么，微型飞机的尺寸非常小，当然它的螺旋桨也将非常小，如何提高微型螺旋桨的效率，就是我们要解决的，关键问题之一。我们所面临的第二个问题，在这方面所面临的第二个问题就是高能量密度电池，及节能微型电机的研究。
那么，为什么要研究这个问题呢从前面的讲解我们可以看到，我们世界上研究的最新式的，最先进的微型飞机像黑寡妇和卫星这样的微型飞机，它的续航时间，也仅仅只有20分钟。而的DARPA的要求是两小时，这个差距是非常大的。那么，怎么缩短这个距离呢？那么，主要要提高它的电能供给。那么，研究高能量密度电池和节能微型电机就是解决这一类问题的一种途径。另外一种方式就是要求微型的喷气发动机美国国防部预研计划据，也就是DARPA，正在资助麻省理工学院研制由硅制成的氢燃料，纽扣式的微型喷气发动机。这种发动机它的直径只有1个厘米，也就是说像我们正常的比一般人民币的直径还要小一点，厚度是三个毫米，其推力在0.05－0.1牛顿之间，每小时约耗10克的氢，也就是说它要飞行两个小时的话，它耗20克的氢，它的氢燃料这个燃料的重量是非常小的，这种微型飞机发动机计划在2001年生产出可以用于飞行的样机，届时可使微型飞机的速度达到每小时57到114公里。飞行距离达到60到111公里，可以说，微型喷气发动机技术是解决目前微型飞机短航时和短航程这一缺点的最根本的出路。
我们看这幅图，就是麻省理就学院研制的由硅制成的氢燃料，微型喷气发动机的原理图，它的直径是1个厘米，厚度是三个毫米，虽然像一个纽扣式的一个微型喷气发动机，但也是麻雀虽小，五脏俱全。它有进气口，有排气口，有燃烧室，有火焰稳定器。有各种各样的转子叶片，像压气机的转子叶片，压气机的扩压器叶片，涡轮转子叶片，涡轮导向器叶片等等。也就是说它具有正常的发动机大型发动机所应当具备的全部的主要部件和系统。
我们在研究和发展微型飞机的过程里面，我们碰到的第三个关键技术就是大容积重量比的结构设计技术。我们知道，微型飞机它面对的最大矛盾就是它的小尺寸和轻重量，另外呢它又要装载基本上像大飞机一样全部的主要的机载设备，当然它的机载设备的尺寸跟大飞机相比是小型的。但也是应该主要的系统，都要装载在飞机里面，因此为了解决这一矛盾，研究新型的结构布局形势就成了关键，我们前面所看到的圆盘式布局，双飞翼布局，像图所示的双翼布局，等等都是新型结构布局的探索。
另外，解决这一问题的另外一种途径，就是将电池与结构复合起来也就是电池与结构的复合技术，也就是说我们把结构做成电池，电池也是结构。当然可以是全部，也可以是部分。一方面它可以大大减轻微型飞机的重量，另外一方面可以提供比较充足的电能。据悉，美国正在研究将微型飞机的固定翼用薄膜电池来制作这样一种新型的技术。
在研究和发展微型飞机的过程里，我们所碰到需要解决的第四个关键技术就是飞行的稳定性，操纵性与控制技术，微型飞机它的尺寸非常小，它的空气流动的粘性又非常大，因此，采用传统的舵面，控制方式就是比较困难的这个时候我们可以利用，微机电技术中控制流动控制的方式，来代替传统舵面方式。同样可以实行飞机姿态的稳定和控制，为了说明这个概念，我们来看这样一个图，这个左边这幅图是一架飞机的三角翼，是一个三角翼，它的机翼的左前缘由微激励器分布了一排分布式气囊，右机翼的前沿是正常的机翼前缘。那么，由于分布式微气囊的作用，使机翼左右两个前缘所产生的流动就是不对称的流动，因此，左右两边就有一个升力差，这种升力差就能够产生一个使机翼滚转的力矩。那么，为了对这个问题有一个更加清楚的描述，我们来看看这两组图。
我们先看看左边这组图，它表示了微气囊在机翼前缘的位置，分别在下部，下前部，上前部和上部。而，右边这组图代表了左右两机翼前缘它的气流分布形成漩涡的情况。对于右前缘，由于没有分布式气囊，因此在任何情况下它的流动都是相同的，而对于左前缘，由于有不同位置的分布气囊，因此它的流动大小它的流动形成的涡就是不相同的，因此它就产生了不同力矩。
那么这幅图就更加清楚地说明这个概念，这幅图的横坐标是气囊的位置，它用角度（读音：cita）来表示，纵坐标表示由于不对称流所产生的滚转力矩的大小，我们可以看出来，随着气囊位置的变化，滚转力矩的大小是变化的，这就说明，我们可以采用流动控制的方式取代传统的飞机舵面，那我们又产生了两个新的问题，第一个问题就是如何产生这种微气囊，我们在真实的飞机上，如何产生这种微气囊这就是我们遇到一个新的问题，实际上这个必须借助于MEMS技术来解决。另外一个我们怎么样来分布气囊在整个机翼表面怎么样分布气囊，并且实现气囊的控制，这个是我们要解决的问题。
我们在研究和发展微型飞机时候碰到第五个关键技术就是弱功率信号下的遥控导航和信息传递技术。实用性微型飞机它的航程要求在10公里以上，而由于微型飞机严格的重量限制，不允许有较大尺寸的机载接收机和发射机，微型飞机往往必须在微弱信号下实现长距离的遥控或导航，因此，开展弱功率信号下的超视距遥控导航信息传递关键技术与设备的研究势在必行。可以这样讲，弱功率信号下的超视距遥控导航信息传递技术是把微型飞机从实验室投入到实际使用的关键性的技术，我们在研究和发展微型飞机的时候，所碰到第六个关键技术是多学科设计优化技术，我们看到这幅图实际上是以三个学科分别是Aerodynamics空气动力学学科，Structure结构学科，Propulsion，就是推进系统，这三个学科为例来说明多学科设计优化的一个整个过程。一个优化算子，将设计变量在各个学科内部，也就是说分别在Aerodynamics，Structure和Propulsion这三个学科内部进行优化，并且在学科之间进行优化，最后，得到满足约束条件和最佳性能要求的设计。这就是一个多学科的设计优化的一个整个思路，那么对于多学科设计优化而言它可以用在大型飞机上，也可以用在其他的飞行器设计里面，甚至可以用在任何一种工业产品的设计上，那么，对于微型飞机而言，它就显得更加迫切，为什么？就是我们前面经常提到的微型飞机的小尺寸和轻重量的要求，所造成的，那么，美国国防部预研计划局DARPA目前正在资助该方面的研究，而且在长度为6英寸，约15厘米的可执行侦查任务的微型飞机设计中取得成功。该多学科优化设计系统中，所涉及学科主要有微型推进系统的性能参数，低雷诺数空气动力学，飞行力学与品质，飞行控制及结构布局与细节设计等，涉及这些学科的模块用一个叫NEWSUMT－1型的软件包联合起来，形成实用的多学科设计优化平台，这里面有一个SUMT这个词，那么它实际上是优化设计方面一种比较先进的技术，叫序列无约束规划技术。那么，NEW就是它的发展型，ONE就是它的第一个版本。那么用这样一个NEWSUMT－1型的软件包形成了实用的多学科设计优化平台。
那么在研究和发展微型飞机的过程里面，我们所碰到第七个需要解决的关键技术就是基于微机电的加工与制造技术。也就是说基于MEMS的加工与制造技术。向着微型化，高度化，集成化方向发展，MEMS正是伴随着这一趋势诞生和发展的。自从80年代末，美国首次出现直径为100个U（读音：谬）M的微电机以来，MEMS研究得到了迅猛发展，各种微执行器，微控制器，以及微机器人相继问世，且各种机构趋于高度集成。形成完备的微机械电子系统。整个系统的尺寸缩小到几毫米，甚至几百微米，并开始了基于MEMS的微型器械研究，同时，MEMS研究已从单一的加工技术向设计向设计和制造一体化系统方向发展，出现了许多集成设计与制造工具技术。如微电子机械，计算机辅助设计，MEMCAD系统，先进微系统计算机辅助原型，CAPAM系统等等。还出现了实用的CAD系统和MEMS仿真工具等。
那么，为什么说基于MEMS技术的加工和制造技术是研究和发展微型飞机的关键技术呢？我们看看这两幅图就不难找到答案，我们的左上图是一架微型飞机，它的尺寸要求小于15厘米，重量，要求限制在100克。如此小和如此轻的微型飞机，又要装载正常飞机所应当具备的主要的机电设备，当然这种机电设备它的尺寸也是微型化的。那么，如果不依靠MEMS制造技术的话这种微型飞机实际上是制造不出来的。
我们看看这两幅图，这两幅图分别是我们在微型飞机上所采用的机载设备，左边上面图，是将这些机载设备和我们正常大小的3.5寸软盘它的尺寸进行比较，这是一个3.5寸的软盘，下面两个是在微型飞机上所用的机载设备，这种机载设备它的原件高度地集中化，集成化，它的尺寸又非常小，因此，必须采用MEMS技术，才能加工出这种机载设备来。下面一幅图也是同样的，在微型飞机上所用机载设备的它和正常长度的钢笔比较起来它的尺寸也是非常小的另外它又是高度集成化的，因此我们也必须采用MEMS技术才能加工和制造出这种机载设备来，因此我们说，基于MEMS的制造和加工技术是解决微型飞机研制的一个关键问题。

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