背景知识
扑翼飞⾏器背景介绍
扑翼飞⾏器，是指像鸟—样通过机翼主动运动产⽣升⼒和前⾏⼒的飞⾏器，⼜称振翼机。⼈们的飞天梦想就是从模仿鸟类的扑翼机开始的。扑翼机以它⽆需跑道、机械效率⾼等优点吸引了⼈们的注意，但由于⽬前对扑翼空⽓动⼒学研究不⾜、材料和结构研究较少等，发展尚不成熟。但正因为不够成熟，出现了政府、民间、专业、业余呈百家争鸣的局⾯。只要完成对⼏⼤难点的破解⼯作，扑翼飞⾏器的上天便指⽇可待了。 扑翼飞⾏器早期历史研究
⼈类对扑翼飞⾏器最早的创意可以追溯到古希腊⼯匠代达罗斯和他的⼉⼦伊卡洛斯，⽽最早⽂字记载的扑翼飞⾏器出⾃《汉书·王莽传》。⽽最早符合现代⼯程学的扑翼飞⾏器设计图的出现则直到⽂艺复兴时期，由意⼤利画家达·芬奇模仿鸟类飞⾏⽽绘制的。1874年，法国科学家马雷以连续拍照的⽅式记录下了鸟类在扑翼时的复杂动作，以当时的技术⽔平是不可能完成的。 1878年伦敦博览会上，两架扑翼机⾸次获得展⽰。当时考夫曼设计的带有蒸汽机的扑翼机⽅案引起了⼈们的极⼤兴趣；英国⼈哈尔格莱夫制成了⼀架带有发动机的扑翼机实⽤模型；德国⼈李林塔尔研制的扑翼机上装了⼀台⼩型发动机，为⼈⼒提供辅助⼒量；他们的理论和实践成为扑翼机发展史上重要的⾥程碑。
早期⼈类对扑翼机的探索可谓不遗余⼒，但由于空⽓动⼒学、控制装置的研究尚不成熟，制作扑翼机的材料也⽐较单⼀，扑翼机的研究进展并不顺利。随着现代电⼦计算机、新型复合材料、控制技术等⾼科技领域的迅速发展，研制扑翼机也有了新的动⼒。
⼈类对扑翼飞⾏器最早的创意可以追溯到古希腊⼯匠代达罗斯和他的⼉⼦伊卡洛斯，⽽最早⽂字记载的扑翼飞⾏器出⾃《汉书·王莽传》。⽽最早符合现代⼯程学的扑翼飞⾏器设计图的出现则直到⽂艺复兴时期，由意⼤利画家达·芬奇模仿鸟类飞⾏⽽绘制的。1874年，法国科学家马雷以连续拍照的⽅式记录下了鸟类在扑翼时的复杂动作，以当时的技术⽔平是不可能完成的。
1878年伦敦博览会上，两架扑翼机⾸次获得展⽰。当时考夫曼设计的带有蒸汽机的扑翼机⽅案引起了⼈们的极⼤兴趣；英国⼈哈尔格莱夫制成了⼀架带有发动机的扑翼机实⽤模型；德国⼈李林塔尔研制的扑翼机上装了⼀台⼩型发动机，为⼈⼒提供辅助⼒量；他们的理论和实践成为扑翼机发展史上重要的⾥程碑。
早期⼈类对扑翼机的探索可谓不遗余⼒，但由于空⽓动⼒学、控制装置的研究尚不成熟，制作扑翼机的材料也⽐较单⼀，扑翼机的研究进展并不顺利。随着现代电⼦计算机、新型复合材料、控制技术等⾼科技领域的迅速发展，研制扑翼机也有了新的动⼒。
扑翼飞⾏器国外研究成果
进⼊21世纪，微型扑翼飞⾏器开始兴起。美国国防⾼级研究所（DARPA）⼗分重视这⼀领域，曾在1992年的未来军事技术研讨会上⾸次提出微型飞⾏器MAV(Micro Air Vehicle)的概念，其量级与⼩鸟相似：总重10-100g，有效载荷20g以上，翼展和长度⼩于152毫⽶，续航时间20-60分钟，飞⾏速度30-60km/h，具有实时成像、导航和通信的能⼒。此外还要求其造价低廉、便于携带、操作简单、伪装性能好、更重要的是要能完成⼀定的任务。
MAV在军⽤和民⽤上都有⼴泛的应⽤前景，所以各国纷纷把微型飞⾏器作为研究的热点。⽽在特征尺⼨与鸟或昆⾍的领域内，扑翼飞⾏器是要优于固定翼和旋翼飞⾏器的：
（1）与固定翼和旋翼飞⾏器相⽐，扑翼飞⾏器的主要特点是将举升、悬停和推进功能集成于⼀个扑翼系统，依靠扑翼运动⽅式的改变可以快速有效地改变飞⾏器的姿态，具有较强的机动性与灵活性。 （2）扑翼飞⾏器的扑翼可以在⽔平位置锁定，在⾼空进⾏翱翔以利⽤势能，故⽐起直升机螺旋桨必须不停旋转来说可以节省能量。同时扑翼产⽣推⼒的效率⾼，可⽤很⼩的能量进⾏长距离飞⾏，更适于在长时间⽆能源补充及远距离条件下执⾏任务。
正是由于扑翼机在微型尺度上的优势，国外也开始对扑翼机重视起来，如佐治亚⼤学、加州理⼯学院、⽇本的东京⼤学等都先后进⾏⾃⼰的研究。
佐治亚理⼯学院研制了⼀种仿昆⾍微型扑翼飞⾏器“Entomopter”，其机翼与蝴蝶翅膀类似，有特殊的结构和材料制成，以往复式化学肌⾁（Reciprocating Chemical Muscle,RCM）驱动。RCM由该学院的罗伯特·迈克尔逊发明，可以直接将化学能转变为机械运动（即⽆需通过燃烧反应），且能量转换效率较⾼。“Entomopter”利⽤化学能源的驱动⼒来拍打机翼并供给机载系统功率。化学反应的废⽓能⽤于滚转控制差动增升，润滑运动零件以及产⽣⾼能发射进⾏测距⽀持、⾼度测量和障碍回避。“Entomopter”重约50g，载重约10g，功率为1-2W，有两对前后串联的扑翼，既可以飞⾏，也能在地⾯上移动。
1998年10⽉，Aerovironment公司，UCLA与加州理⼯学院联合研究了⼀种MAV“Microbat”，由加州理
喷气式飞行器⼯学院戴⾀昌(Yu-Chong Tai)教授领导的研究⼩组主导研究⼯作。它的翼展约为15cm(6英⼨)，扑翼的频率约每秒20次，重7.5g。⾸架原型机仅能持续飞⾏9秒，⽽2001年底已经提⾼到6分17秒。对⾮定常空⽓动⼒学特性研究做出了卓越贡献。这也是⾄今为⽌⽂献公开报道的、有技术细节的、可以持续飞⾏的扑翼型MAV。
东京⼤学研究了⼀种在交变磁场中移动的扑翼飞⾏器，翅膀由聚酰亚胺和镍制成。该飞⾏器进⼊交变磁场后，翅膀上的镍会带动翅膀上下扑动。该飞⾏器只有⼏毫⽶⼤,⾸次将微机电系统（MEMS, Micro-Electro-Mechanical System）与昆⾍飞⾏原理结合到⼀起，为MEMS在微型飞⾏器上的应⽤提供了经验。
在微型扑翼飞⾏器MAV⾼速发展的同时，传统的载⼈扑翼飞⾏器也有所发展。加拿⼤教授德拉⾥尔教授于1996年开始研究扑翼机，并在2001年成功制成了⽆⼈驾驶扑翼机，于次年完成了载⼈扑翼机的研制，但性能很差，只能跳⼏次。直到2006年7⽉8⽇，完成了⾸次有⼈驾驶扑翼机的离地并维持飞⾏。这架扑翼机空重约760磅，最⼤起飞重量350千克，在达到⼤约80km/h的速度时，扑翼频率为1赫兹，在距离地⾯1⽶左右的⾼度上平飞了10秒，总飞⾏距离330⽶，留空时间14秒。虽然该试驾机在该次实验中最终因左翼触地，机头着地并旋转⽽未圆满完成飞⾏任务，但仍为扑翼机技术上的⼀⼤进步。
扑翼飞⾏器国内研究成果
国内对于扑翼飞⾏器的研究起步较晚、成果较少，但国内的扑翼机的研究制作发展势头很好，⽬前已有多家⾼等院校和科研机构开展了对扑翼机的研究⼯作。
清华⼤学的于婷、王⽂渊将实际的⽣物模型简化，得到了扑翼模型，并以此为基础构造了神经⽹络控制⽅案。该模型是研究扑翼机结构的标准。虽然⽅案尚不完善，还不能直接解决复杂的实际问题，但为后续的研究打下了基础。摄像机机芯
南京航天航空⼤学在2004年研制出了国内第⼀架能在空中悬浮飞⾏的扑翼飞⾏器。2013年，南京航天航空⼤学的黄鸣阳成功做出了国内⾸架仿⽣海鸥扑翼飞⾏器，也是我国⼤型仿⽣飞⾏器领域中少有的成功实践。
车辆调度东南⼤学的于冰、王姝歆等学者已就仿⽣扑翼飞⾏机构和机理分析，控制⽅案，仿⽣翅运动系统和扑翼⽓动特性进⾏了研究。并与扬州⼤学建⽴了联合实验测试平台进⾏共同攻关和探讨，并取得初步成效。
除此之外，西北⼯业⼤学、上海交通⼤学等也在研究微型扑翼飞⾏器。⽬前已经完成了翼展50-60mm的电驱动扑翼飞⾏器的制作，并通过了低速风洞试验。但是，⽆论是国内还是国外，当下的扑翼飞⾏器基本还处于实验研究阶段，不能完
器的制作，并通过了低速风洞试验。但是，⽆论是国内还是国外，当下的扑翼飞⾏器基本还处于实验研究阶段，不能完成复杂的实际任务，没有到达实⽤阶段
国内⽬前对微型扑翼飞⾏器的攻关主要集中在以下⼏个重点领域：空⽓动⼒学基础（尤其是⾮定常空⽓动⼒学）、飞⾏动⼒和能源问题、翼型和材料、通信和控制系统。只有在以上⼏个领域中取得突破，我们才能发挥扑翼机在军事和民⽤上的⽤途，使之真正成为⼀种实⽤的飞⾏器。
微型振动马达
值得⼀提的是，虽然⽬前在全世界范围内，扑翼飞⾏器的理论研究还处于⽐较低级的阶段，但这并不意味着扑翼飞⾏器只在实验室中才能见到。相反，作为⼉童玩具出现的扑翼机⼗分普遍，甚⾄在普通商店中即可购买到。也就是说，虽然扑翼机在复杂的军事或⾼级民⽤⽅⾯尚显稚嫩，但已经可以满⾜普通的娱乐需要，⼀旦扑翼机的某项关建技术被攻克，便可以迅速地将其运⽤到实际⽣产上。从这⼀点来看，扑翼飞⾏器的前景可谓⼗分光明。
未来•发展⽅向
扑翼飞⾏器未来发展⽅向
扑翼机的发展趋势与其具体⽤途是分不开的，⽽扑翼机最有价值的领域在军⽤和民⽤上的体现分别是情报活动和⽇常出⾏。
微型扑翼机成功研发完成后，可以给其加装摄像机和窃听器，利⽤其体积⼩，不易被发现的优点潜⼊敌国进⾏情报的获取。普通的固定翼或旋翼飞⾏器在飞⾏时会造成较⼤的声⾳，且耗油量⼤，⽽扑翼机飞⾏时则更加隐蔽，不易引起敌⽅察觉，且侦查时间更为持久。室外路径
扑翼机还有⼀个显著的⽤途——模仿鸟类直接对敌⽅发起打击。这种打击分为两种：（1）在扑翼机上通过改变外形、喷涂隐⾝材料达到对敌⽅雷达隐形的效果，进⽽“假装”鸟类混⼊敌境，然后对敌⽅关建设施进⾏打击。（2）众所周知，现代的喷⽓式飞机其发动机极为脆弱，在起飞过程中，即使是⼀只鸟与飞机相撞也会导致飞机坠毁，称为“鸟击”。我们可以将⼀批扑翼机埋伏在对⾯机场附近，在敌机起飞降落的时候突然袭击，直接撞向其发动机，以达到损毁效果。更不必说微型飞⾏器MAV在情报窃取、暗杀、关建设备破坏等领域的天然优势。 在民⽤⽅向，扑翼机则可能更多的应⽤在⽇常的交通出⾏上。与传统的固定翼飞机相⽐，扑翼机的优势是⽆需起飞滑落的跑道场地；与旋翼飞机（直升机等）相⽐，扑翼机的优势在于省燃料且噪声⼩。⾄少在⽬前的科技条件下，固定翼飞机和旋翼飞机具有难以克服的成本⾼、灵活度差等缺点，尚不能承担普通⽣活中的⽇常出⾏和⼩规模活动的需要，这也是下⽂中不能成为能取代现有交通⼯具的原因。扑翼机未来的发展⽅向不应该朝取代家⽤轿车和普通客机，⽽是向公交车和⾃⾏车的⽅向发展——⼤型的扑翼机可以作为公共交通⼯具的⼀环，环绕城区运输⼈员和物资，⼤部分中⼩型城市修建地铁不划算，仅靠公交车⼜⽆法满⾜需要，此时便可以⽤到⼤型扑翼机了，显然，扑翼机的成本远远
低于地铁，⽽灵活性则⾼于地铁，故扑翼机在成为普通公共交通⼯具上是有其优势的；还有就是个⼈⽇常出⾏时可以使⽤的⼩型便携式扑翼机，就如同⽬前的⽇⽤⾃⾏车⼀样，短距离、低载荷、⾼速度，扑翼机强于⾃⾏车的优势在于其⾼速和⾼空，加快速度缩短距离，⽤时更短，且⽆需跑道等必要起飞设施，故在⽇常出⾏领域有巨⼤的发展空间。在解决了⼤型扑翼机空中悬停和快速转弯等⽅⾯的技术问题后，扑翼机甚⾄可能取代家⽤轿车的地位：天空上空间更⼤，没有堵车的困扰，相撞的概率也⽐地上⼤⼤减⼩，把地⾯上的空间更多的留给⾏⼈，多余的空间更是能缓解城市⽤地荒的问题。在未来，建设新型的“⽴体城市”“天空城市”时，扑翼机会发挥出巨⼤的作⽤。
虽然扑翼机有着⼴泛的潜在应⽤空间，但还需要进⾏长期的发展才能满⾜未来的巨⼤需要。
⾸先，⾮定常型空⽓动⼒学必须要有巨⼤的发展。扑翼机在进⾏扑翼飞⾏时，其机翼周围的⽓流变化是极其复杂的。虽然传统的固定翼飞机其机翼附近的⽓流变化也很复杂，但毕竟不需要考虑机翼与机⾝相对运动带来的⽓流变化，⽽扑翼机在整个扑翼周期中，既有着前进时的空⽓阻⼒带来的⽓流，也有着扑翼相对空⽓运动带来的扰乱⽓流。除了普通飞机迎风⾯对飞⾏器⽓动属性的影响外，扑翼机前进的速度和扑翼的扑动速度、⾓度、运动轨迹都会影响其⽓动属性，这也给研究扑翼机⽓动结构带来了巨⼤的困难。⽬前还未解决的难题包括翼的⾮定常运动、翼的弦向和展向的弯扭变形、开裂式翼尖、锯齿状后缘【6】等。扑翼机想发展，必须解决⾮定常空⽓动⼒学和⾼升⼒机制的问题。
其次，材料学也需要有所发展。现代飞机属性的提⾼主要就是由材料和航电系统的发展带来的。扑翼机的机翼要承受极其复杂的⽓流冲击，对其材料的强度、韧性、延展度等都有所要求。⽬前的材料还不⾜以满⾜需要，需要继续发展。
然后是⾼效的能源与动⼒系统。这也是⽬前⼏乎所有主流载具⾯临的共同问题。扑翼运动时受到的空⽓阻⼒是时刻变化的，这也对扑翼机的动⼒系统提出了更⾼的要求。
其四是扑翼飞⾏器的控制策略和控制系统。⽬前扑翼机还没有⼀种可以明显服众的控制系统设计。是仅靠扑翼完成变向和推进还是靠尾翼辅助调节，是⼀对扑翼还是多对扑翼，是整翼扑动还是部分翼扑动都还存在争议（最后⼀项⽬前已经
和推进还是靠尾翼辅助调节，是⼀对扑翼还是多对扑翼，是整翼扑动还是部分翼扑动都还存在争议（最后⼀项⽬前已经基本统⼀意见了，部分翼扑动明显优于整翼扑动）。还需要⼤量的实验和测试来确定哪种控制⽅案更符合需求。
对于MAV来说，困难还有⼀项。飞⾏器的⽓动⼒很⼩，但⼲扰⼒(电机震颤、本⾝惯性等)很⼤，⼏乎与⽓动⼒是⼀个量级，很⼤地⼲扰了飞⾏器的正常飞⾏。这⼀问题困扰着各国科学家，⽬前进展很⼩。ic卡智能门锁
因为扑翼机发展时间短，扑翼机的风洞试验⽅法⽬前也很不完善。风洞试验可以为设计提供可靠的原始数据，也可以验证理论和⽅法的可⾏性。
最后是扑翼机的设计。⽬前国内对扑翼机的设计主要是由扑翼机的爱好者完成的，他们相⽐于专业的飞⾏器设计师明显缺乏设计经验，其成品也常常具有⼀些缺陷。⽬前已有部分⾼等院校和科研机构开始了对扑翼机的研发⼯作，相信在不久的未来我们可以看到更多优秀的扑翼机作品。
未来的扑翼机发展⽅向⾸先⼀定会先朝着微型化发展，MAV是所有侦查⼿段的发展⽅向之⼀，⽽扑翼机在MAV领域具有其他飞⾏器不能⽐拟的优势，⽽MAV的军事意义⼗分重⼤。众所周知，最先进的技术⼀定是先应⽤到军事上，国家现在⼜对军队加⼤了投⼊，故扑翼机未来的突破⼀定是在军⽤MAV的⽅向。
微型化完成以后其发展应该是仿⽣化，随着对各种昆⾍和鸟类的研究不断深⼊，仿⽣学上的进步⼀定会影响到⼯程学上。与传统的固定翼飞机想⽐，与鸟类飞⾏⽅式更为相似的扑翼机明显更容易运⽤到仿⽣学技术。⾃然界⾥的⼤部分飞⾏⽣物，其推重⽐和机动性都要远远⾼于⽬前⼈类所研发的⼀切飞⾏器，这是⼀座还未开发的宝藏。仿⽣学的研究结果可以极⼤的减少飞⾏器燃料消耗和能量浪费。
仿⽣化成功后，扑翼机的前进⽅向应该是载⼈化。低消耗的扑翼飞⾏器甚⾄可以取代家⽤轿车的地位。到了那⼀天，⼈类就可以真正实现“空中都市”。
综上所述，扑翼飞⾏器具有极其⼴泛的应⽤前景，但也有许多尚待解决的难题。但是，我相信扑翼机⼀定会有光明的未来。
感想•建议
感谢⽼师在这么长的时间⾥对我们的悉⼼教导。在整个教学过程中，⽼师跟我们展⽰了⼤量国际上先进的武器装备，着实开阔了我们的眼界，我们真正见识到了国际上不同国家的武器装备，也看到了我国国防事业的闪光点和不⾜点。在主要课程中，⽼师耐⼼地讲述了各个部件的作⽤和⼯作原理。⽐如说，修这门课前，我对陀螺仪的⼯作原理困惑不已，但在⽼师深⼊浅出的讲解后，终于明⽩了它是如何⾃我稳定的。
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