微型飞行器的设计原则及策略

[摘 要]根据多年以前的微型飞行器的实验和研究，对微型飞行器的设计原则提出了思考，对实用性和研究性的微型飞行器以及不同类型的微型飞行器的设计特点的分析和阐述，简单的对微型飞行器的概念和技术难点做出了介绍，设计了探索微型飞行器总体的办法，通过对微型飞行器设计的矛盾和协调方法以及优化问题的研究，阐述了微型飞行器的设计特殊性，最后提供了微型飞行器总体设计的参考思路，并对微型飞行器设计的发展方向进行了展望。

[关键词]微型飞行器；设计；技术难点，设计策略

中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0289-01

在20世纪90年代就开始提出了微型飞行器的新技术概念，微型飞行器基础研究是在1997年由美国国防高级研究计划局提出的，这项研究提出已经接近二十年的时间了，在这二十年里这项研究受到了世界各国科学家和相关机构的热情相应，在美国和欧洲已经多次的举办 由微型飞行器进行的比赛和表演，许多形式、大小不同的微型飞行器试验机的出现。现在，微型飞行器的有两个不同的发展方向[1]。一个是研究性微型飞行器的发展，它的研究主要力量是大学，以研究各种的探索性的微型飞行器；另一种是实用性的微型飞行器，但是美国国防高级计划局和军事部门把这类微型飞行器的应用投入到了军事实用上了，主要是作为空中侦察机和识别爆炸装置。

一、 微型飞行器设计的原则

1、研究性微型飞行器

微型飞行器到目前为止仍然是探索类的新概念飞行器，还需要长时间的探索才能完成微型飞行器的题型、构造和功能的研究，所以是非常有必要去探索研究性微型飞行器的。研究性微型飞行器的研究的实用目标不一定明确。研究的目的主要是探究研究性微型飞行器的动力和能源、尺寸效应、飞行控制方向、执行任务功能、系统的超微型化、承载能力、构型和布局、避障功能等。因此，推动与研究性微型飞行器小尺寸相适应 的设计和智能控制办法依然是微型飞行器的发展方向。

2、实用性微型飞行器

由于微型飞行器的体积小、灵活性强、便于侦查等特点成为了在特殊环境下作战的新型作战模式，所以研制当前需求的实用性微型飞行器也是很重要的。但是由于现阶段的的动力、能源、材料、系统模块、任务装置、微细加工的方面的局限性，要想使实用性微型飞行器具有一定的实用功能，需要突破这些方面的局限性。但是相对于研究性微型飞行器要放宽对实用性微型飞行器的尺寸要求，这样才能保障实用性微型飞行器能够承载足够的重量和能源，以及强大的抗风能力。

3、微型飞行器类型的选择

微型飞行器和普通的常规无人机在外形上有着很大的不同，因为微型飞行器的飞行结构是在它微小尺寸的的限制下去进行研制的。现有的微型飞行器分为旋翼微型飞翔器，固定翼微型飞行器和扑翼微型飞行器三大类，这个 分类是根据飞行原理的角度进行分类的。这是由于现在实用微型飞行器的产品比较少，不能够按照常规无人机那样根据使用性能分类，微型飞行器的选择是根据使用要求来进行选择的。

4、微型飞行器的技术要求

微型飞行器的技术既有普通无人机那样环境适应性和飞行性能已基本经济性的要求，又要强调隐身和狭小空间飞行等特殊要求。微型飞行器的设计必须根据具体技术指标的确定，进行精心的综合设计和协调，经过反复的修改才能达到所期望的技术要求。

三、微型飞行器设计的策略

1、微型飞行器设计的矛盾和协调

由于微型飞行器的体积小和集成度高的特点，所以改变任何一个技术部指标都会对整个飞行器造成不可转变的后果，因此微型飞行器的设计必须采用整体综合设计，不能按照常规无人机那样各个系统独自设计[2]。微型飞行器小的特点在设计和制造上会出现一系列的矛盾，但是这些矛盾不能够单个独立的去解决，因为它们是息息相关的。如果在微型飞行器的设计上严格限制微型飞行器的尺寸，又希望完成某项特定的指标，有的时候是几乎不可能的事， 所以需要设计部门进行反复的研究实验，使设计要求达到最高。

2、微型飞行器设计方法的特殊性

由于微型飞行器句具有非线性，非定常力学 这些特征，所以微型飞行器的设计已经不适合使用线性空气动力学计算的方法，而是需要流动力学来支撑微型飞行器设计。并且在扑翼气动特性这样大幅边界运动的计算时，还要设计非定常流场的良好动态网格生成技术。既可以使用结构变形的柔性扑翼的非定常流场设计又有部件大幅运动的设计。此外，需要建立特殊的控制模型，来解决扑翼微型飞行器的升力控制和推力控制耦合问题，和多旋翼微型飞行器的姿态控制与轨迹控制耦合问题。

3、微型飞行器系统设计的优化

只有进行细致的优化设计，设计出的微型飞行器才能让人满意，但是微型飞行器的单项优化方向由于微型飞行器尺寸小和系统高度集成而行不通。所以进行微型飞行器必需的途经就是协调综合优化设计，而多学科设计优化正是微型飞行器需要的。多学科设计优化是最近几年兴起的一种优化设计方法，它可以解决一些复杂工程系统和多学科动态设计出现的问题，主要是通过各个学科产生的协同作用来对整体进行优化设计。要想取得最佳的微型飞行器的设计结果，就必须采用多学科优化设计方法进行设计[3]。从科学角度上来讲，微型飞行器的技术是“被逼”出来的。微型飞行器的研究设计不同于常规无人机的设计原理，必须从综合设计出发采用多学科设计优化的方法，对微型飞行器进行设计研究，从而设计研制出尺寸虽小性能要求很高的新型微型飞行器。

三、结语

微型飞行器技术 的正式研究只有将近二十年的时间，到现在它的发展仍然处于起步阶段。根据各方面的研究，要想设计研制出尺寸和性能双赢的微型飞行器，需要研究人员花费大量的时间在力学、微电子技术的研究上。从微型飞行器出现以来。它就是人们心中微小、灵活、智能化的化身。它就像鸟一样 自由飞翔，又像蜜蜂一样潜行无踪。微型飞行器的发展，不仅仅拥有更多的构型，还需要更高的科技效果，而这需要微型飞行器的研究人员进行更多的设计研究。其实反过来看，微型飞行器也是在推动着无人飞行器的发展，无形中也在促进着微系统的人发展，促进各个学科的交叉发展。

参考文献：

[1]昂海松.微型飞行器的设计原则和策略[J].航空学报，2016，37（1）：69-80.

[2]刘@，朱荣，刘敬威等.用于微型飞行器的可变机翼设计及其特性[J].清华大学学报（自然科学版），2008，48（5）：789-791.

[3]陈皓生，陈大融，徐军等.一种微型飞行器测控系统的研究和设计[J].仪器仪表学报，2001，22（z2）：110-111.