一种静电驱动的微型扑翼动力装置及其升力跳跃现象

Inspired by self-excited motion of insects’ flight muscle, we present a new type of linear actuator based on self-excited vibration principle in this investigation. Based on this actuator, an electrostatic actuated propulsion device for Micro Flapping-wing Air Vehicle is proposed, which has been demonstrated to have higher power density and energy transfer efficiency than the existed devices’ by our preliminary experimental results. Test platforms for this propulsion device will be established, and the following 3 basic research topics will be investigated: 1) Self-excited vibration of conductive microstructure, 2) Lift force optimization of membrane/wing structures considering fluid-structure interaction, 3) Overall performance of the propulsion device. The research results will provide basic theoretical models and methods for future development of the propulsion device for Micro Flapping-wing Air Vehicle.

昆虫尺寸的微型飞行器在军事侦查和民用救援领域的应用前景广阔，但受制于动力装置研究的缓慢进展，目前此类飞行器尚无法实现自由飞行。本项目的研究对象为申请人前期提出的一种静电驱动的微型扑翼动力装置，该装置的核心部件为导电微结构和薄膜结构，其结构简单、功率密度和能量转换效率高，并且能够仅在直流电压的驱动下产生高频自激振动，并伴随有振型突变和升力跳跃现象。针对上述现象，项目将开展3个方面的研究，包括：导电微结构的自激振动，薄膜结构的升力特性，动力装置的控制规律和整体性能等；拟解决3个关键科学问题，包括：导电微结构高阶自激振动的数学描述，自激振动薄膜结构的流固耦合特性，静电驱动的微型扑翼动力装置的升力控制规律。本项目的实施可为实现昆虫尺寸微型飞行器的高机动自由飞行奠定理论基础。

本项目的总体研究目标为：针对一种静电驱动微型扑翼动力装置的升力跳跃现象，开展相关基础科学问题研究，为此类动力装置在未来昆虫尺寸、高机动微型扑翼飞行器的工程应用奠定理论基础。拟解决的关键科学问题是：1）导电微结构高阶自激振动的数学描述；2）自激振动薄膜结构的流固耦合特性；3）静电驱动的微型扑翼动力装置的升力控制规律。. 针对上述研究目标，该项目实际从以下四个方面展开了理论和试验研究。一、导电微结构的自激振动机理：基于静电感应理论，提出了微梁根部间接接地模型，对微梁起振的定向特性进行了解释。二、升力跳跃现象的规律和机理：通过设计和搭建导电微结构自激振动试验台，研究了微梁高阶振型的影响因素及出现振型转换时频率、功率的变化趋势。三、新型仿生翅翼结构：借鉴真实昆虫翅翼结构的拓扑外形、力学特性以及运动轨迹，并研究其力学性能参数和考虑流固耦合的动力学特性。四、采用X支撑的新型静电驱动微扑翼动力装置：采用X型支撑结构，并开展了升力优化和质量控制研究。. 研究成果包括：1、导电微梁自激振动机理及动力学模型；2、导电微梁高阶振动特性与升力跳跃现象理论；3、新型仿生翅翼结构设计加工及升力特性模型；4、新型静电驱动微扑翼动力装置整体性能优化；5、以第一作者或通讯作者发表了4篇SCI收录期刊论文，1篇国际顶级会议论文；6、获授权7项国家发明专利。. 综上所述，本项目不仅针对一种静电驱动微型扑翼动力装置的升力跳跃现象，开展了相关基础科学问题研究，还进一步研究了静电驱动构型、高仿生翅翼工艺、新型驱动器等方面，为此类动力装置在未来昆虫尺寸、高机动飞行的微型扑翼飞行器的工程应用奠定理论基础。