什么是扑翼机?它会成为无人机领域的下一个大事件吗?

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四轴飞行器的设计已经成为大多数人在讨论无人机时想到的无处不在的形象。作为现代工程的一个奇迹,四轴飞行器技术是多年来对螺旋桨动力飞行知识的顶峰。

尽管技术先进,但很现代四轴飞行器在一些方面仍然不如自然飞行。这是有原因的无人驾驶飞机的飞行员毕竟,建议远离鸟类。为了缩小这一差距,一种新型无人机的研究在过去几年中不断升温。

什么是扑翼机?

人们常说,自然是最好的设计师。事实上,我们的许多现代做法都是从动植物多年来的生存和进化过程中借鉴而来的。这是扑翼机设计的基本理念——一种模仿鸟类飞行方式的飞机。

扑翼无人机的目标是从固定翼和四旋翼无人机的最佳特性中获益。四轴飞行器以出色的机动性和能保持稳定的悬停而闻名。另一方面,固定翼无人机不能在原地悬停,但比四轴飞行器的效率高几个数量级。

尽管混合动力无人机存在,但它们通常都非常复杂,而且由于部件太多而负担过重。

扑翼飞机的设计很容易被发现,因为它最显著的特点是一对扇动的翅膀。通过这些机翼和流线型机身的组合,扑翼机能够超越四轴飞行器或固定翼无人机的飞行行为。它有很多好处,其中之一就是可以从温和稳定的飞行模式迅速转变为更具攻击性的模式,比如俯冲或翻转。

拍打翅膀有什么特别的吗?这些机翼提供升力,因为它们的机翼形状,类似于固定翼无人机的工作原理。然而,扑翼运动可以帮助翅膀产生更大的升力,从而可以更快地改变高度。也正是这种运动使扑翼在原地悬停而不失去升力。

为了改变飞行高度和方向,扑翼机通常在“尾翼”上安装方向舵或升降舵。同样,这与鸟类的尾巴对于飞行运动和稳定的作用相似。就像船的舵一样,鸟的尾巴也会从一边摆动到另一边来掌舵。尾巴也可以向下产生阻力,帮助鸟在飞行中减速。

设计一架扑翼无人机的挑战

MetaFly BionicBird

几乎所有的设计元素的一个扑翼无人机是模拟的物理鸟类飞行。这似乎是自然在为工程师们工作。然而,扑翼飞机仍然非常罕见这一事实意味着这说起来容易做起来难。

鸟类的某些解剖学部位有助于其飞行,这在远程控制的电子设备中是无法复制的。鸟类羽毛有助于飞行稳定性等因素将不得不通过非常规的手段加以模仿。

设计扑翼传动系统已被证明是扑翼机发展中最大的挑战之一。与四轴飞行器的螺旋桨相比,扑翼机的翅膀不需要拍打得那么快。然而,为扇动翅膀提供动力的马达也需要处理如此多的质量和风阻力。

这种快速的往复运动不仅耗电,还会导致无人机身体的其他部位以相反的方式移动。这对无人机体内的任何敏感电子器件来说都是个坏消息,因为它们最终可能会被移走。

有一件事是肯定的——任何简陋的曲柄或传动系统都不能模拟出鸟类肌肉系统如何很好地控制飞行。尽管鸟类的骨骼很轻,但它们翅膀上的肌肉却非常强壮。这使得它们能够快速而微妙地改变飞行模式。设计师们曾试图在扑翼飞机上使用柔性材料来模拟这一点,但我们永远不能指望它们能像鸟类一样灵活。

对大功率电机、坚固传动系统和耐用车身的需求与另一个重要设计元素——重量形成了直接对比。鸟类天生就很轻,因为它们的骨头是中空的。扑翼无人机试图通过使用轻型材料和尽可能少的机械部件来模拟这种情况。考虑到飞行直升机还需要电池和遥控发射机,这无疑是一个挑战。

扑翼机设计的优点和缺点

时至今日,扑翼无人机仍然很少见,所以很难确定这项技术的优点和缺点。从我们目前所看到的一点点,我们已经可以推断出扑翼飞机飞行的某些方面是我们可以期待的,以及一些我们应该谨慎的。

优点

比四轴飞行器更高效

与四轴飞行器的螺旋桨相比,利用翼型技术,扑翼飞机可以用更少的动力产生升力。这对于预计将持续较长时间的无人机作战来说是一个巨大的优势。这也得益于扑翼机被特意设计成极其轻的重量。

比固定翼无人机更具机动性

固定翼无人机是飞行效率最高的无人机,主要是因为它们只有很少的可移动部件。它们的主要局限性是机动性不强,不能在空中盘旋。一架扑翼机解决了这两个问题。利用尾舵机构,扑翼机能够快速改变方向和高度。扑翼机也可以简单地通过拍打翅膀在原地悬停。

比四轴飞行器安静

四轴飞行器产生的持续嗡嗡声是它不太讨人喜欢的特性之一。为了解决这个问题,扑翼机以更慢的速度扇动翅膀。这使得扑翼机成为潜行或任何不鼓励噪音的环境的理想选择。

缺点

更少的健壮的建设

一个扑翼机的设计只有在它被设计得很轻的情况下才会真正起作用。到目前为止,几乎所有工作中的扑翼飞机都很小,使用的材料有柔韧的塑料和轻质合金。虽然这有助于提高扑翼机的效率,但也降低了它们在没有一些损伤的情况下幸存下来的可能性。

不发达的技术

我们可能还得等上几年,才能让扑翼无人机的技术赶上四轴飞行器——如果真能赶上的话。鉴于四轴飞行器的成功,大型科技公司投资开发扑翼飞行器的可能性越来越小。因此,我们唯一的希望可能是少数几个致力于这项特殊技术的小型研究小组。

我今天能买到扑翼无人机吗?

MetaFly BionicBird

如果你正在寻找一架可以在任何类似专业水平飞行的扑翼无人机,那么我们有一个坏消息要告诉你。现在,所有的扑翼无人机都是我们所说的玩具。它们并不是很坏,当然也让我们看到了这项技术的潜力,但除了飞行,你还能做什么呢?

对于那些愿意花大量的钱购买一架扑翼无人机,我们建议MetaFly BionicBird。这架10克重的无人机可能是你现在能找到的最接近“专业”扑翼机的无人机了。无人机需要一些组装,但我们认为这是一件好事,因为它可以让你更好地理解每个组件是如何工作的。

它有柔韧的翅膀,正面的灯,和一个集成的锂电池,使无人机最多8分钟的飞行时间。该无人机可以控制在100米范围内,尽管我们认为你可能想要在室内飞行这一微型无人机。它很易碎。

如果你不想花太多钱,那么有一打类似的遥控无人驾驶飞机这是利用了扑翼机原理。这些无人机配有扇动的翅膀、尾舵和一些类似于鸟类或蝴蝶的花哨设计。它们也很便宜——你只要花20多美元就能买到一个。

正如这些产品所表明的,我们离获得高质量的扑翼无人机还有很长的路要走。它们很适合玩,但不如现在市场上的任何现代四轴飞行器和固定翼无人机那样令人满意。

最终的想法

到2021年,四轴飞行器技术已经非常先进,任何创新都只能带来微小的改进。同样的道理也适用于固定翼无人机。虽然这些技术已经被证明是非常可靠的技术,但目前进一步发展的空间非常小。

因此,我们觉得对扑翼机的研究很有趣。与其他类型的无人机不同,扑翼机还有很多工作要做,也有很多未开发的潜力。一架好的扑翼机基本上是两全之选,兼有四轴飞行器的机动性和固定翼飞行器的效率。还有很多挑战需要克服,但我们乐观地认为,无论从字面上还是象征意义上来说,这项技术最终都能取得成功。