飞行仿生讲义课件.ppt

1、第三讲第三讲 飞行仿生飞行仿生 伟大诗人屈原在他的著作伟大诗人屈原在他的著作离骚离骚曾想象自己坐在飞曾想象自己坐在飞龙拉着的车里在空中飞行龙拉着的车里在空中飞行o西游记里的孙悟空我国古代飞天神话 “嫦娥奔月嫦娥奔月”的故事的故事 “会飞的木鸟会飞的木鸟”墨子曾带领三百多弟子用了三百多弟子用了三年墨子曾带领三百多弟子用了三百多弟子用了三年时间制成一支时间制成一支“会飞木鸟会飞木鸟”古书上叫做古书上叫做“竹竹 鵲鵲”或或“木鸢木鸢”东汉时期东汉时期，张恒，张恒制成了一架装有制成了一架装有“机关机关”的飞行的飞行器，叫做器，叫做“木雕木雕”唐朝工匠韩志和，唐朝工匠韩志和，也曾制作了一架也曾制作了一架

2、能升高能升高100尺，尺，飞行飞行400多尺远多尺远的飞行器的飞行器张恒 十五世纪，自动十五世纪，自动机制造者米勒机制造者米勒（Johann Muler)Johann Muler)“铁苍蝇铁苍蝇”“机械鹰机械鹰”希腊的阿奇太希腊的阿奇太（Archytas）公元前公元前4 4世纪世纪“机械鸽子机械鸽子”依卡拉斯依卡拉斯（IcarusIcarus）和得达拉斯和得达拉斯（DaedalusDaedalus）韦兰得的韦兰得的“羽毛飞行机羽毛飞行机”神话故事神话故事 第五世纪流传到今天第五世纪流传到今天挪威神话：挪威神话：韦兰德将做好的羽毛韦兰德将做好的羽毛飞行机交给他的兄弟飞行机交给他的兄弟艾格尔，并鼓

3、励其在艾格尔，并鼓励其在风中亲自试试，并嘱风中亲自试试，并嘱咐他兄弟说：咐他兄弟说：“起飞起飞时要逆风，而着陆时时要逆风，而着陆时要顺风要顺风”，他弟弟尽，他弟弟尽了最大的努力也没有了最大的努力也没有保住他的命。保住他的命。中国历史中尝中国历史中尝试飞行的记录试飞行的记录是很少的，反是很少的，反观欧洲在十五，观欧洲在十五，十六世纪，飞十六世纪，飞行记载反而较行记载反而较多。多。跳塔飞行家世界航空重要创始人之一世界航空重要创始人之一达达.芬奇芬奇(1452-1519(1452-1519)意大利画家达意大利画家达芬奇长期对芬奇长期对鸟的飞行进行观察和研究，鸟的飞行进行观察和研究，并写出并写出论鸟的

4、飞行论鸟的飞行一书，一书，书中还画出多幅模仿鸟的飞书中还画出多幅模仿鸟的飞行器。行器。扑翼机的设计图扑翼机的设计图 原始的直升飞机的设计草图原始的直升飞机的设计草图 人类上天的人类上天的梦想最早是梦想最早是靠热气球才靠热气球才飞上天的！飞上天的！法国生理学家马雷法国生理学家马雷（Etienne Jules Marey）动物的机器动物的机器 介绍了鸟的重量和介绍了鸟的重量和他的翅膀负荷他的翅膀负荷 翅膀的面积是和其翅膀的面积是和其体重的平方成正比体重的平方成正比的的德国的物理学家亥姆霍兹德国的物理学家亥姆霍兹（Hermann Von Helmholtz）“相似定律相似定律”表示出了飞行动物身表示

5、出了飞行动物身体大的可能限度体大的可能限度证明人的体重太大了，证明人的体重太大了，不能靠自己肌肉的不能靠自己肌肉的的力量来飞行的力量来飞行体重最大的飞行动物是什么呢？英国人凯利（英国人凯利（George Cayley）1773-1857 气体动力学创始人之一气体动力学创始人之一“飞机的上升力可以从飞机的上升力可以从水平推进中分出来。换水平推进中分出来。换句话说，一个固定的鸟句话说，一个固定的鸟式机翼提供上升力，而式机翼提供上升力，而发动机和螺旋桨推动飞发动机和螺旋桨推动飞机在空中前进机在空中前进”发表在机械类期刊发表在机械类期刊Mechanic Magazine1889年，李林塔尔写成了年，李

6、林塔尔写成了著名的著名的鸟类飞行鸟类飞行航空航空的基础的基础一书，论述了鸟一书，论述了鸟类飞行的特点类飞行的特点。李林塔尔进行了两千次以上的滑翔飞行试验，三次改进总体李林塔尔进行了两千次以上的滑翔飞行试验，三次改进总体布局，滑翔中又拍了许多照片，积累了大量数据，并以此编布局，滑翔中又拍了许多照片，积累了大量数据，并以此编制了制了空气压力数据表空气压力数据表，给美、英、法等国的飞机制造者，给美、英、法等国的飞机制造者们提供了宝贵的资料们提供了宝贵的资料。麦克格雷迪制造麦克格雷迪制造1979年六月自行车运年六月自行车运动员布莱恩动员布莱恩.艾伦驾驶艾伦驾驶穿越英吉利海峡穿越英吉利海峡使用人力的飞翔

7、使用人力的飞翔薄纱天翁（薄纱天翁（Gossamer Albatross）1903年，年，12月月17日，在法国昂贝略平原，在法日，在法国昂贝略平原，在法国昂贝略平原这里进行了全法第一次飞机试飞国昂贝略平原这里进行了全法第一次飞机试飞 飞机的发明人之一维尔伯飞机的发明人之一维尔伯莱特莱特遠飛遠飛852英呎，大約是英呎，大約是300公尺，公尺，300公尺在當時公尺在當時講已經是很遠講已經是很遠，飛，飛時間時間59秒。秒。這個記這個記是當天飛是當天飛三次中最長的一次，最短的記三次中最長的一次，最短的記根據文獻上的記載好像是根據文獻上的記載好像是13秒！秒！1939年年9月月14日日 西科尔斯基西科尔

8、斯基 “VS300型型”直升飞机直升飞机 视频视频 人类飞行进化史人类飞行进化史固定翼飞机的仿生设计与发展固定翼飞机的仿生设计与发展 机翼的仿生设计机翼的仿生设计 尾翼的仿生设计尾翼的仿生设计 小翼的仿生设计小翼的仿生设计鸟类翅膀飞行的秘密扑翼飞行滑翔飞行小实验：吹纸条小实验：吹纸条丹尼尔丹尼尔伯努力伯努力1700 1782伯努力效应伯努力效应迎角状态的鸟翼升力迎角状态的鸟翼升力 平飞状态的鸟翼升力 机翼的仿生设计机翼的仿生设计机翼剖面示意图机翼剖面示意图 机翼升力原理图机翼升力原理图 平飞时机翼升力示意图平飞时机翼升力示意图 迎角状态的机翼升力图迎角状态的机翼升力图 平飞状态的机翼升力图平飞

9、状态的机翼升力图 1914年德国制造的LE3侦察机，机翼完全仿鸟翼 1914年法国制造的X1侦察机，拱型机翼 1936年法国制造的年法国制造的46C-1战斗机，翼形是鸟翼的变形结构战斗机，翼形是鸟翼的变形结构 我国生产的运我国生产的运12多用途运输机翼形为拱型结构多用途运输机翼形为拱型结构 这是一架通用飞机从翼尖可以清楚地看到拱型机翼结构这是一架通用飞机从翼尖可以清楚地看到拱型机翼结构 翼型剖面图 翼型剖面图 翼型剖面图 飞机翼形的多种形式飞机翼形的多种形式 风 筝 鸟 翼亚音速飞机 亚音速飞机超音速飞机美国制造的美国制造的SR-71高空高速侦察机，机翼呈上翼面略高空高速侦察机，机翼呈上翼面略

10、带拱型的平板型机翼，飞行高度带拱型的平板型机翼，飞行高度3万米，速度万米，速度M=3 美国研制的试验性飞机美国研制的试验性飞机X-43A用超燃冲压发动机作动力，用超燃冲压发动机作动力，于于2004年年11月月16日在日在33500米高空中创造飞行速度达音速米高空中创造飞行速度达音速9.8倍的速度纪录（倍的速度纪录（11265千米千米/小时）翼形为平板型机翼小时）翼形为平板型机翼。尾翼的仿生设计尾翼的仿生设计现代飞机的尾翼普遍采用现代飞机的尾翼普遍采用飞机尾翼发明者-李林塔尔 从从1889年第一个滑翔机折断起，如何在空中保持平衡年第一个滑翔机折断起，如何在空中保持平衡一直是飞机飞行中的难题一直是

11、飞机飞行中的难题1896年年4月月9日，李林塔尔操纵他的滑翔机时恰遇日，李林塔尔操纵他的滑翔机时恰遇一股强劲的风，滑翔机失速栽向地面，滑翔机摔一股强劲的风，滑翔机失速栽向地面，滑翔机摔毁了，李林塔尔也受了致命的重伤毁了，李林塔尔也受了致命的重伤(脊椎断裂脊椎断裂)，第二天死亡。在弥留之际，对他弟弟古斯塔夫说：第二天死亡。在弥留之际，对他弟弟古斯塔夫说：“总是要有人牺牲的。总是要有人牺牲的。”可调节水平尾翼可调节水平尾翼尾翼的仿生设计全动水平尾翼V型尾翼边缘涡流边缘涡流很多鸟类的很多鸟类的翅膀尾端都翅膀尾端都会分叉的会分叉的飞行时空气飞行时空气阻力会变得阻力会变得很小很小翼上加小翼翼上加小翼的飞

12、机设计的飞机设计 视频：max737德国柏林工业大学研制的系列机翼：德国柏林工业大学研制的系列机翼：从简单尾部的机翼到尾部分叉的机翼从简单尾部的机翼到尾部分叉的机翼最后变为带有环片的机翼最后变为带有环片的机翼将在将在2030年实现的飞机模型可以使它的年实现的飞机模型可以使它的机翼适合当时的飞行状况：在着陆时机机翼适合当时的飞行状况：在着陆时机翼末端会分开，以减小边缘涡流翼末端会分开，以减小边缘涡流扑翼机的梦想鸟类飞行器埃格视频“雪鸟”视频：“雪鸟”“人造仿生飞鸟”微型飞行器的仿生 国外国外MAVsMAVs的种类的种类 固定翼飞机固定翼飞机旋翼机旋翼机扑翼机扑翼机国外研究情况国外研究情况Blac

13、k Widow Black Widow 中的中的MEMSMEMS器件器件技技术术指指标标 昼昼间间型型 昼昼夜夜型型 续航时间 1 小时 飞行高度 100 米 侦察范围 1000 米 翼展 7.4 厘米 20.5 厘米 起飞重量 10.5 克 91.5 克 飞机结构重 2 克 12.5 克 动力电机和电池重 7 克 61 克 摄像机和电池重 1.4 克 17.9 克(红外)通信系统重 0.11 克 0.1 克 总功耗 970 毫瓦 8475 毫瓦 动力系统功耗 870 毫瓦 飞控系统功耗 50 毫瓦 摄像机和通信系统功耗 25 毫瓦 摄像机镜头口径 0.26 厘米 摄像机两个方向视场角 40

14、度 16 度 摄像机角分辨率 0.7 弧度 1.3 弧度 摄像机拍摄速度 每两秒 1 幅 每秒 2 幅 机载双向信息传输通信系统 0.7 厘米半波长天线+高集成发射机+高集成接收机 地面控制站 12.7 厘米碟形天线+自动跟踪接收机+导航计算与显示计算机;监测飞行器相对地面控制站的方位、俯仰角、距离；供控制人员对飞行器进行控制和选择拍摄对象。NRLNRL美国海军研究实验室美国海军研究实验室技术指标 超小型干扰机 翼展 15.2420.32cm 重量 50100g 飞行速度 32.1864.36km/h 续航时间 20min 有效载荷 15g 技术指标“微蝙蝠”翼展 15.24cm 重量 10.

15、6g 飞行时间 58s 飞行距离 46m 扑翼频率 20Hz 动力动力 镍镉电池镍镉电池 重量仅重量仅0.40.4克，钛合金骨架克，钛合金骨架 厚度仅厚度仅250250微米；微米；机翼骨架采用钛合金制造，机翼骨架采用钛合金制造，薄膜采用聚对二甲苯制造薄膜采用聚对二甲苯制造微星微星 微星微星的设计重量是的设计重量是100克，总电功耗是克，总电功耗是15瓦。它的瓦。它的机身重为机身重为7克，处理克，处理/存储电子组件重量存储电子组件重量6克，照相机克，照相机/镜头总重镜头总重4克。克。未来的飞机未来的飞机视频视频2 自然为师（自然为师（1）并回答以下问题：）并回答以下问题：1 视频中提到为人类飞行做出重要贡献视频中提到为人类飞行做出重要贡献的有哪些人？的有哪些人？2 视频中讲到了哪些方面人类还需要视频中讲到了哪些方面人类还需要向哪些飞行动物学习？向哪些飞行动物学习？未来机翼的仿生设计方向未来机翼的仿生设计方向飞行动物不需要螺旋桨飞行动物不需要螺旋桨昆虫飞行的灵活性是任何飞机都做不到的昆虫飞行的灵活性是任何飞机都做不到的昆虫的翅膀柔软而单薄昆虫的翅膀柔软而单薄鸟类飞行是极其节省鸟类飞行是极其节省“燃料燃料”的的直升机的终极仿生目标：蜂鸟蜂鸟 作业：