白隼飞行器设计.docx

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白隼飞行器设计

“随风者”白隼扑翼侦察机

摘要：

白隼扑翼侦察机采用仿鸟扑翼结构，以电力驱动人工肌肉作提供动力，在扑翼飞行器本身的优势上进一步进行了提升。

首先，采用无污染的电能驱动方式，进一步提升环保特性；其次，采用人工肌肉替代传统的机械机构，减少结构重量与机械摩擦；然后，采用仿生降噪原理，降低飞行噪音；还有，采用扑翼起降，对场地没有要求；最后，具有超强的机动性，可以高效的完成侦查与精确打击任务。

一、白隼的环保理念

1、扑翼飞行本身优越的环保性

2、白隼大量采用复合材料、智能材料以及人工肌肉，减少很多机械结构、传动装置之间的摩擦损耗以及结构重量。

3、白隼机翼表面涂覆高效率的纳米薄膜太阳能电池，充分利用太阳能。

4、白隼机翼的特殊设计，一方面提高空气动力特性，另一方面噪音极小

5、白隼完全使用电为动力，无任何污染排放。

二、白隼的特点

1、扑翼起降或者高台滑翔起飞，起飞降落对场地无要求。

2、超强机动能力，可以通过机翼，尾翼的多种变换配合达到空中急停、俯冲、急转弯等一些列普通飞机无法达到的机动性能。

3、由于是仿生飞行器，在外形方面与隼相似，没有传统飞机的螺旋桨、发动机叶片等强雷达散射元，容易保持机身电磁连续性，辅助以隐身涂层，将有效降低RCS，同时没有噪音，声觉信号也很小，因此侦察、攻击的隐蔽性都很高。

4、对于侦察，我们可以在隼头部位安装小型相控阵雷达、多种传感器、高清摄像机和高效通讯装置以保证侦察的质量，可以悄无声息地深入敌后进行侦察活动。

在飞行时，即使被地面视觉观测到，由于飞行姿势与鸟相似，也不易引起警觉。

5、对于攻击，可以在一树高的空间内隐蔽突防，以小型导弹或者小尺寸灵巧炸弹为主要武器进行精确打击。

三、白隼的作战方式（任务描述）

现有的空中侦察方式最主要集中在高空侦察机以及军事侦察卫星上，对于战场的实时侦察存在着一些问题，存在侦察上的漏洞，对于实时侦察更是没有太多的办法。

虽然现在发展出很多微小型无人机用于实时的战场侦察，但是存在着众多局限与缺点，如侦察时间、侦察范围、隐蔽性等问题，而白隼正是我们为连级作战单位的侦察任务而设计的。

我们可以设想一个作战场景以更好的阐释白隼的作战方式。

一个作战小队在接到高空侦察机的情报后，确定了敌军部署在里本方20公里外的山谷里。

此时，由于该作战小队在野外，独立作战。

此时，需要更多的情报，所以就可以使用白隼无人机。

在野外，没有现成的跑道，可以采用扑翼起降。

起飞后，由于采取了隐身的设计，雷达反射面积很小，不易被雷达发现，另外由于飞行高度较低以及具有较好的隐身性能，地面防空导弹并不能有效的进行打击。

而当人眼可以看到的时候，白隼由于其独特的飞行方式，人眼和仪器很难辨别白隼，更多的可能误以为是鹰，即使被发现，地面的攻击也可以被具有超高机动性的白隼有效的规避。

此时，通过装在头部的摄像头可以实时的传回信号，为之后的进一步行动做了准备。

总之，白隼的作战方式可以建议概括为下面三点：

1、接收到高空侦察机或者卫星的情报后，可以选择适当的起飞方式起飞。

2、抵近战区之后，可以使用盘旋滑翔的模式进行大范围的侦察，也可以使用扑翼模式实现悬停进行更加细节的侦察或者是战略目标的精确打击。

3、扑翼降落。

五、白隼的设计重点

为了实现以上的特点，需要从以下这几个方面入手：

1、总体外形设计、操纵系统

2、总体布局

3、动力设备

4、起降方式

5、隐蔽性

6、相关数据

总体外形设计、操纵系统

首先，白隼的尺寸限制在正常的隼的尺寸：

长约1米，翼展2米。

为了能够实现在低空中伪装，所以整体的外形一定要和真实当中的隼相近，这样才能在超低空时有更好的伪装性能。

因为在百米左右的高空，雷达的作用已经赶不上肉眼观察的作用。

所以整个白隼的外形和隼极其相似。

图一：

白隼外形图

白隼的总体外形如上图所示。

由上图可以看到，我们取消了常规的尾翼设计而采用了与鸟相同的尾羽，材料轻，并且由电流控制方向。

由于扑翼这种特殊的飞行方式，其俯仰不需要尾翼太多的帮助，尾翼仅仅只是起到增升和减小阻力的作用。

同时，机翼的末端同样布有类似飞羽材质的上下可自由活动的端面（如上图所示），随着扑翼的进行会自主的进行上下运动，有效减少阻力，同时还可以起到辅助滚转的操纵。

通过电信号来改变材料的形态形成主动开合翼的设计，开合使下行时为一完整的曲面翼，上行时为一露空百叶窗，使压差阻力下行加大、上行减少，使升力效率二次加大，以达到更好的气动布局，减少阻力，提高升力。

图二：

机翼上行阶段空气动力分析图

图三：

单根飞羽特写

另一方面，由于机翼的特殊设计，所以整机的噪音水平很低。

在航空器设计中，首要考虑的两个问题就是燃料的燃烧效率和噪声的降低。

在侦察机侦察过程中，噪音会是一个非常重要的影响因素。

虽然现行的消噪技术有很多，但是很多技术都收效不大。

相反，自然界中有众多值得我们借鉴的方面，比如猫头鹰的须边羽毛有助于分解空气经过羽毛时产生的音波。

图四：

猫头鹰的须边羽毛特写

我们的设计将这种锯齿状突起放在白隼翅膀后缘，或者改变空气流动的角度，就可以降低那儿产生的噪声。

然而，虽然猫头鹰羽毛设计有助于减少噪声，但当这个原理应用到航行器时，还必须考虑一个问题：

当航空器达到了一定的速度和高度时，必须确保这个设计不产生额外阻力。

而我们所设计的白隼的最快速度只达到了80km/h，属于低速飞行，这样的设计不会对白隼本身有太大的阻力影响而且会有很好的降噪效果。

同时，在机翼表面覆盖有柔软被覆（柔性材料），起到猫头鹰降噪系统中绒毛的作用，可以有效的消除2000HZ以上的声音，而2000HZ以上的声音对哺乳动物极为敏感，达到消除噪音的效果。

同时由于真正鸟类扑翼是伴随着三个动作的，分别是扑动、扭转以及扫掠。

白隼相较于其他扑翼机的高明之处就在我们通过利用人工肌肉而不是普通的机械装置实现这一系列动作，而肌肉的分布则是我们需要研究的。

图三：

鸟类真实扑翼轨迹图

图四：

白隼翅膀摆动图

图五：

白隼翅膀扑动细节图

为了获得真实鸟类是如何实现这三个动作的，我们将鸟和人类比。

人类手臂的骨骼结构与鸟类的翅膀骨骼结构基本相同，都分为肱骨、尺骨、桡骨等等，因此肌肉分布基本相同。

其中，三角肌的作用是使手臂举到水平位置；手臂分别向前、中、后举到一定方向的高度;同时，胸大肌的生理作用是:

使肱骨内收和旋内，在上肢固定的时候，则可上提躯干。

对于鸟类来说，这两块肌肉的作用则是可以实现翅膀或者说大臂的上下扑动，同时实现翅膀翼型的扭转和翅膀的扫掠。

而对于前臂屈指肌，即屈肌位于前臂前面的内侧皮下，能使手屈和外展，相对于鸟来说，即实现在挥动翅膀时实现掌骨的折叠，所以鸟类的三角肌和胸大肌非常发达，而例如肱二头肌、肱三头肌、肱桡肌、肱肌这类实现大臂与小臂之间折叠的肌肉则相对较弱。

而且在鸟类飞行过程中，大臂与小臂之间并没有比较大的动作。

这也是我们分布人造肌肉的依据所在。

在飞行过程中鸟的翅膀通过拍动来产生足够的升力和前进力。

通过进一步观察发现，鸟翅从功能上可以分为外翅和内翅两部分。

内翅的主要作用如同飞机的固定翼，由伯努利定理可知，内翅能够产生升力；外翅除了产生升力之外，它在拍动过程中的扭转也有助于产生前进力，同内翅相比，它更具有柔性。

当鸟翅上下拍动时，外翅部分会作一定的扭转，则会产生空气动力沿前进方向的分力。

外翅的运动范围要比内翅大得多，扭转运动能使翅的每一微长条部分获得不同的迎角，从而有助于产生一定的升力，但迎角过小就不能产生足够的升力，迎角过大又会产生较大的阻力。

因此，外翅的适合扭转为最优的升力和前进力的产生起到辅助作用。

由于鸟的内外翅本身就有相互牵连作用，理论上，内翅在外翅带动之下也会有微小的扭转，考虑到我们设计的白隼的机翼翼时可通过具有一定柔性及刚度的材料来做骨架，在拍动过程中由空气动力实现后缘部分的扭转，使得翅膀的各个微长条部分在每一时刻的迎角产生变化，从而便于产生有效的升力和前进力。

图六：

白隼机翼段人造肌肉分布

通过机身中的机载计算机等机载设备计算周期性的对人工肌肉电刺激从而拉伸达到预期效果。

现行的气凝胶人工肌肉，这种气凝胶人造肌肉比空气轻，充电之后在短短几毫秒内，便可起作用，不会有太多延时出现，而且该种肌肉提供的力量很大，是一种很合适的肌肉选择。

不过相信随着科学的发展，还会有更多的人造肌肉可供白隼选择。

总体布局

整个白隼可以分为三个大的模块：

一、侦察、攻击模块；二、操控模块；三、动力模块；其中，侦察攻击模块位于头部位置，操控模块包括机翼、尾翼以及人工肌肉，而动力模块则包括了一台位于机身中蓄电池以及表面涂覆高效率的纳米薄膜太阳能电池的机翼、尾翼蒙皮。

图七：

白隼主要功能舱室图

电源模块：

为全机负责电力的储藏

机载计算机、其他机载设备：

控制扑翼飞行的飞行状态以及整机的运行

图像处理、通讯设备：

负责实时图像的防抖动以及其他相关处理和地面的实时交互

肌肉、骨架：

负责白隼扑翼的实现

动力设备

白隼全机动力都采用电力，是由机身中的电源模块和机翼、尾翼蒙皮的纳米薄膜太阳能电池储藏。

电源模块包括高能蓄电池以及增压装置组成。

由于人工肌肉的工作环境必须要求在高电压环境下，所以设置了增压装置。

采用纳米薄膜太阳能电池，质量轻而且可以充分利用太阳能为电源模块分担部分电力压力，绿色环保。

正常巡航状态下，白隼的巡航速度为14m/s，其扑翼频率大约为1.5次/秒。

其中在一次扑翼循环中，有动作的肌肉共有三块，控制扑动的肌肉为胸大肌和三角肌。

控制机翼上行时掌骨折叠的屈肌。

胸大肌在机翼下行时动作，其平面面积大约为单侧机翼的1/6左右，平均厚度大约为8cm，由此可以计算出胸大肌的体积大约为0.012m^3，即12000cm^3，需要能量为大约为0.55*10^-4kw.h。

三角肌和屈肌在机翼上行时动作，体积分别为5000cm^3和3000cm^3。

所需能量为0.35*10^-4kw.h。

所以最终维持白隼巡航五小时所需的能量为1.08kw.h。

所以我们考虑到其他机载用电设备，我们选择使用容量为200Ah的电池，放电电压12V。

起降方式

白隼有两种起飞方式，原地扑翼起飞以及高台滑翔起飞。

降落方式有滑翔降落和配合地面收纳装备的扑翼降落。

隐蔽性

为了使白隼能成功的完成作战任务，白隼的隐蔽性能包括了：

视觉隐身、雷达隐身、红外隐身。

视觉隐身：

由于扑翼的特殊形式、独特设计的鹰的造型以及白隼扑飞行时极小的噪音，所以在百米左右的高度具有极大的视觉迷惑性，地面侦察不易发现

雷达隐身：

主机身外形平整，表面涂有吸波材料，再加上尺寸较小，雷达反射面积很小，不易被雷达发现。

飞行的最低高度仅为5米，更不易被地面雷达捕获。

红外隐身：

全机几乎不产生高热量