【學以精工】 能爬會飛的“精靈蟲”
發(fā)布日期：2014-06-30 供稿：宇航學院 劉健 王征 攝影：宇航科技創(chuàng)新實踐基地
編輯：新聞中心 王征 閱讀次數(shù)：
在2013年落幕的第二屆“中航工業(yè)杯”國際無人飛行器創(chuàng)新大獎賽的賽場上，一款長相些許“怪異”的仿生飛行器，吸引了與會專家和各參賽隊伍的注意，這只其貌不揚的“小蟲子”，既可以在復雜地面飛速爬行，又能展開柔性翅膀瞬間竄入空中，飛得無影無蹤。最終，這架由北京理工大學宇航學院同學制作的名為“精靈蟲”的可折疊柔性固定翼微型仿生飛行器，被與會專家評委們評選為本次大獎賽的創(chuàng)意新星獎，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院2010級張超同學及其團隊獨立設(shè)計和制作的。
圖一（國內(nèi)、外專家參觀“精靈蟲”） 作為一款仿生小型無人飛行器，精靈蟲的靈感和技術(shù)實現(xiàn)路線充分借鑒了仿生科學。仿生科學是借用生物體優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能原理，來研制新的機械結(jié)構(gòu)或者解決機械技術(shù)難題的一門新興科學技術(shù)。仿生飛行器大多利用了鳥類、昆蟲等生物體的飛行特點，在減小飛行器體積、質(zhì)量的同時來實現(xiàn)飛行器的舉升、懸停、視覺隱蔽等功能。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用的關(guān)鍵因素。
圖二（“精靈蟲”照片）
為了參加本次大賽，同學們在籌劃設(shè)計作品之初，主要針對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)計重點，從學校的國防特色出發(fā)，設(shè)計一款具有較好戰(zhàn)場隱蔽性的小型無人飛行器更是同學們的終極追求。因此，“精靈蟲”團隊為飛行器提出了具有地面爬行蔽障能力，同時還能實現(xiàn)快速二次自主起飛的設(shè)計要求。
為了實現(xiàn)這樣的設(shè)計要求，經(jīng)過反復研討，采取仿生科學理念，向大自然中的動物和昆蟲精巧的生理結(jié)構(gòu)進行借鑒，最終成為設(shè)計者的共識。經(jīng)過改進，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構(gòu)和載荷搭載機構(gòu)，當飛行器最終成型后，其靈活的避障爬行能力和飛行能力，讓同學們一致為它賦予“精靈蟲”這樣一個具有靈氣的名字。
圖三（輪腿式起落架） “精靈蟲”仿生飛行器的由三大“法寶”，一個是其獨特的輪腿式起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得飛行器具備了一定的地面越障機動能力，面對一般障礙物，無須飛行，就可以通過“輪腿”快速翻閱或爬行通過，增強了微小型飛行器對地形環(huán)境的適應能力。擁有了可快速爬行的輪腿，當飛行器接近目標時，就可以通過地面前進，避免了在空中飛行的易暴露性。而且在爬行中，能隨時根據(jù)地形，有效的隱蔽自己。
當然，作為一款飛行器，不能總是在地上爬行，而為了實現(xiàn)地面高效爬行能力和隱蔽能力，一雙過于“招搖”的大翅膀是不可取的，最終設(shè)計團隊還是向昆蟲“拜師”，“求得”了一雙可折疊的柔性翼，這樣設(shè)計不僅使飛行器便于攜帶，同時在地面機動時可以減小飛行器的尺寸，便于通過狹窄的空間。
為了增強“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”，同學們還設(shè)計了自動豎起的火箭助推機構(gòu)，從而實現(xiàn)了機身不同的發(fā)射角度，在火箭助推下快速起飛，大大增強了飛行器執(zhí)行復雜任務的能力。
圖四（可折疊柔性固定翼）
圖五（快速二次自主起飛機構(gòu)）
一只能爬會飛的蟲子，只是一個載體，能在這個平臺上搭載應用載荷，才能使“精靈蟲”具有實戰(zhàn)化的能力，設(shè)計者在機身內(nèi)部設(shè)計了包括裝載攝像頭等有效載荷的空間，可通過模塊化組合使其具備不同的功能。這樣一來，擁有如此特殊設(shè)計的“精靈蟲”可用于戰(zhàn)場環(huán)境偵察、作戰(zhàn)效果評估、精確制導武器的引導以及微型飛行器的大規(guī)模集群作戰(zhàn)等。
圖六（應用示意圖）
“精靈蟲”作為宇航科技創(chuàng)新實踐基地的一個大學生科技創(chuàng)新項目，經(jīng)過長達2年多的設(shè)計醞釀，團隊成員充分利用創(chuàng)新基地資源，通過與高年級學長探討和論證，形成了一套設(shè)計、試驗、改進的研究體系。在此期間“精靈蟲”團隊不僅使用了3D打印技術(shù)來制作機身，還大膽創(chuàng)新的使用了柔性復合材料機翼技術(shù)。
從最初僅會爬行的避障小車到后來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，同時也充滿了喜悅。在該飛行器改進期間，該項目還參加了眾多比賽，并取得了一定成績，包括第七屆首都“挑戰(zhàn)杯”二等獎、2012年科研類全國航空航天模型錦標賽創(chuàng)意賽三等獎、2013年科研類全國航空航天模型錦標賽創(chuàng)意賽一等獎、北京理工大學第二屆飛行器創(chuàng)新大賽一等獎、北京理工大學第九屆、第十屆世紀杯二等獎。
【飛行器（視頻）】
宇航科技創(chuàng)新實踐基地的前身是成立于2001年的宇航學院航模隊?；馗黜椈顒泳o密圍繞提高學生綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新實踐能力開展，以“學校指導、學院搭臺、教師參與、學生創(chuàng)新”為指導思想，引導科研一線教師積極參與，培養(yǎng)學生科技創(chuàng)新團隊，培育和支持學生科技創(chuàng)新作品，激發(fā)大學生科技創(chuàng)新和實踐探索意識，發(fā)揚吃苦耐勞、團結(jié)合作精神，使更多的大學生了解科技創(chuàng)新，熱愛科技創(chuàng)新，投身科技創(chuàng)新。目前基地擁有創(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，基地隨時歡迎對航空、航天感興趣的同學加入。
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