【學(xué)以精工】 能爬會(huì)飛的“精靈蟲”
發(fā)布日期：2014-06-30 供稿：宇航學(xué)院 劉健 王征 攝影：宇航科技創(chuàng)新實(shí)踐基地
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在2013年落幕的第二屆“中航工業(yè)杯”國(guó)際無(wú)人飛行器創(chuàng)新大獎(jiǎng)賽的賽場(chǎng)上，一款長(zhǎng)相些許“怪異”的仿生飛行器，吸引了與會(huì)專家和各參賽隊(duì)伍的注意，這只其貌不揚(yáng)的“小蟲子”，既可以在復(fù)雜地面飛速爬行，又能展開柔性翅膀瞬間竄入空中，飛得無(wú)影無(wú)蹤。最終，這架由北京理工大學(xué)宇航學(xué)院同學(xué)制作的名為“精靈蟲”的可折疊柔性固定翼微型仿生飛行器，被與會(huì)專家評(píng)委們?cè)u(píng)選為本次大獎(jiǎng)賽的創(chuàng)意新星獎(jiǎng)，也是我校連續(xù)兩屆在此大賽中獲得殊榮。“精靈蟲”仿生飛行器是由宇航學(xué)院2010級(jí)張超同學(xué)及其團(tuán)隊(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)和制作的。
圖一（國(guó)內(nèi)、外專家參觀“精靈蟲”） 作為一款仿生小型無(wú)人飛行器，精靈蟲的靈感和技術(shù)實(shí)現(xiàn)路線充分借鑒了仿生科學(xué)。仿生科學(xué)是借用生物體優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能原理，來(lái)研制新的機(jī)械結(jié)構(gòu)或者解決機(jī)械技術(shù)難題的一門新興科學(xué)技術(shù)。仿生飛行器大多利用了鳥類、昆蟲等生物體的飛行特點(diǎn)，在減小飛行器體積、質(zhì)量的同時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)飛行器的舉升、懸停、視覺(jué)隱蔽等功能。目前仿生飛行器的研究主要集中于與生物的形似性、飛行器的小型化、飛行器的續(xù)航能力、飛行器的隱蔽性等，而飛行器的續(xù)航能力及隱蔽性與飛行器的生存能力緊密相關(guān)，是決定一款飛行器能否被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。
圖二（“精靈蟲”照片）
為了參加本次大賽，同學(xué)們?cè)诨I劃設(shè)計(jì)作品之初，主要針對(duì)如何減小飛行器攜帶體積、提高飛行器續(xù)航能力作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)，從學(xué)校的國(guó)防特色出發(fā)，設(shè)計(jì)一款具有較好戰(zhàn)場(chǎng)隱蔽性的小型無(wú)人飛行器更是同學(xué)們的終極追求。因此，“精靈蟲”團(tuán)隊(duì)為飛行器提出了具有地面爬行蔽障能力，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)快速二次自主起飛的設(shè)計(jì)要求。
為了實(shí)現(xiàn)這樣的設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過(guò)反復(fù)研討，采取仿生科學(xué)理念，向大自然中的動(dòng)物和昆蟲精巧的生理結(jié)構(gòu)進(jìn)行借鑒，最終成為設(shè)計(jì)者的共識(shí)。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，飛行器逐漸擁有了類似昆蟲的可折疊柔性固定翼和輪腿式起落架，還配有了火箭助推機(jī)構(gòu)和載荷搭載機(jī)構(gòu)，當(dāng)飛行器最終成型后，其靈活的避障爬行能力和飛行能力，讓同學(xué)們一致為它賦予“精靈蟲”這樣一個(gè)具有靈氣的名字。
圖三（輪腿式起落架） “精靈蟲”仿生飛行器的由三大“法寶”，一個(gè)是其獨(dú)特的輪腿式起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得飛行器具備了一定的地面越障機(jī)動(dòng)能力，面對(duì)一般障礙物，無(wú)須飛行，就可以通過(guò)“輪腿”快速翻閱或爬行通過(guò)，增強(qiáng)了微小型飛行器對(duì)地形環(huán)境的適應(yīng)能力。擁有了可快速爬行的輪腿，當(dāng)飛行器接近目標(biāo)時(shí)，就可以通過(guò)地面前進(jìn)，避免了在空中飛行的易暴露性。而且在爬行中，能隨時(shí)根據(jù)地形，有效的隱蔽自己。
當(dāng)然，作為一款飛行器，不能總是在地上爬行，而為了實(shí)現(xiàn)地面高效爬行能力和隱蔽能力，一雙過(guò)于“招搖”的大翅膀是不可取的，最終設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)還是向昆蟲“拜師”，“求得”了一雙可折疊的柔性翼，這樣設(shè)計(jì)不僅使飛行器便于攜帶，同時(shí)在地面機(jī)動(dòng)時(shí)可以減小飛行器的尺寸，便于通過(guò)狹窄的空間。
為了增強(qiáng)“精靈蟲”更好的升空能力，使其能夠在起飛空間不充裕的情況下，也能“一飛沖天”真正成為一只靈活的“小蟲子”，同學(xué)們還設(shè)計(jì)了自動(dòng)豎起的火箭助推機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)身不同的發(fā)射角度，在火箭助推下快速起飛，大大增強(qiáng)了飛行器執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力。
圖四（可折疊柔性固定翼）
圖五（快速二次自主起飛機(jī)構(gòu)）
一只能爬會(huì)飛的蟲子，只是一個(gè)載體，能在這個(gè)平臺(tái)上搭載應(yīng)用載荷，才能使“精靈蟲”具有實(shí)戰(zhàn)化的能力，設(shè)計(jì)者在機(jī)身內(nèi)部設(shè)計(jì)了包括裝載攝像頭等有效載荷的空間，可通過(guò)模塊化組合使其具備不同的功能。這樣一來(lái)，擁有如此特殊設(shè)計(jì)的“精靈蟲”可用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境偵察、作戰(zhàn)效果評(píng)估、精確制導(dǎo)武器的引導(dǎo)以及微型飛行器的大規(guī)模集群作戰(zhàn)等。
圖六（應(yīng)用示意圖）
“精靈蟲”作為宇航科技創(chuàng)新實(shí)踐基地的一個(gè)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)2年多的設(shè)計(jì)醞釀，團(tuán)隊(duì)成員充分利用創(chuàng)新基地資源，通過(guò)與高年級(jí)學(xué)長(zhǎng)探討和論證，形成了一套設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、改進(jìn)的研究體系。在此期間“精靈蟲”團(tuán)隊(duì)不僅使用了3D打印技術(shù)來(lái)制作機(jī)身，還大膽創(chuàng)新的使用了柔性復(fù)合材料機(jī)翼技術(shù)。
從最初僅會(huì)爬行的避障小車到后來(lái)既能爬行又能飛行的可折疊柔性固定翼微型仿生飛行器，每一步都充滿了艱辛，同時(shí)也充滿了喜悅。在該飛行器改進(jìn)期間，該項(xiàng)目還參加了眾多比賽，并取得了一定成績(jī)，包括第七屆首都“挑戰(zhàn)杯”二等獎(jiǎng)、2012年科研類全國(guó)航空航天模型錦標(biāo)賽創(chuàng)意賽三等獎(jiǎng)、2013年科研類全國(guó)航空航天模型錦標(biāo)賽創(chuàng)意賽一等獎(jiǎng)、北京理工大學(xué)第二屆飛行器創(chuàng)新大賽一等獎(jiǎng)、北京理工大學(xué)第九屆、第十屆世紀(jì)杯二等獎(jiǎng)。
【飛行器（視頻）】
宇航科技創(chuàng)新實(shí)踐基地的前身是成立于2001年的宇航學(xué)院航模隊(duì)。基地各項(xiàng)活動(dòng)緊密圍繞提高學(xué)生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新實(shí)踐能力開展，以“學(xué)校指導(dǎo)、學(xué)院搭臺(tái)、教師參與、學(xué)生創(chuàng)新”為指導(dǎo)思想，引導(dǎo)科研一線教師積極參與，培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，培育和支持學(xué)生科技創(chuàng)新作品，激發(fā)大學(xué)生科技創(chuàng)新和實(shí)踐探索意識(shí)，發(fā)揚(yáng)吃苦耐勞、團(tuán)結(jié)合作精神，使更多的大學(xué)生了解科技創(chuàng)新，熱愛(ài)科技創(chuàng)新，投身科技創(chuàng)新。目前基地?fù)碛袆?chuàng)新工作室兩間（中關(guān)村校區(qū)、良鄉(xiāng)校區(qū)各一間），設(shè)備齊全，組織機(jī)構(gòu)健全，每年都能培育出一批優(yōu)秀的科技創(chuàng)新作品，基地隨時(shí)歡迎對(duì)航空、航天感興趣的同學(xué)加入。
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