（来源：中国航空报）

瑞士洛桑联邦理工学院（EFPL）的RAVEN8扑翼机。

AeroVironment公司生产的纳米蜂鸟无人机。

纳米蜂鸟无人机的结构。逸文　　随着无人机越来越普及——尤其是在东欧战场，工程师和研究人员一直在寻求提升其隐身性能的方法。新的设计，包括受鸟类启发的设计，可以创造出更加隐身、高效的无人机。然而，在能够消除飞行产生的嗡嗡声之前，它们还面临着其他的技术障碍。飞行测试　　产生嗡嗡声来自最常见的无人机类型——四轴飞行器。它们有四个独立的旋翼，结合一些附加电子设备，可以提供稳定、持续且易于控制的飞行。它们被广泛应用于从军事战斗到搜救、勘测和摄影等各个领域。　　但它们也有一些缺点。运行四个独立的电机非常耗能。小型无人机由电池供电，而大多数电池都很重，因此在载重能力和飞行时间之间存在明显的“跷跷板”效应。它们的设计也不太符合空气动力学，比其他类型飞行器产生更大的能量需求。但最重要的是，对于一些最终用户来说，它们不具备隐身性能。无人机明显的嗡嗡声使得许多用户无法执行需要隐身的任务。军事和执法可能是最明显的用途，但它对于野生动物观察或室内应用也很重要。随着无人机表演越来越普遍，数十架四轴飞行器的声音也越来越大；但这或许可以通过更安静的版本来解决这个问题。　　实际上，大自然最青睐的飞行机制是扑翼，鸟类利用扑翼飞行，它们身体的每个部位都适应于高效悬停和巡航。同样，昆虫也利用翅膀起飞、悬停和着陆。　　传统飞机依靠发动机提供推力，依靠翅膀提供升力，而鸟类的翅膀则同时提供这两种动力，并产生升力和推力的组合来飞行。升力是使物体停留在空中的力，推力是推动物体前进的力。在飞行过程中，鸟类常常将拍打翅膀与滑翔结合起来，以减少能量消耗并利用气流。　　尽管目前无人机市场上由固定翼和多旋翼无人机主导，但仿生扑翼无人机仍有一席之地。这并非一个新概念，但扑翼无人机可能成为更可行的选择，因为它们具备传统无人机所不具备的功能。仿鸟机器人和无人机也被称为扑翼机，其设计融合了螺旋桨无人机和固定翼无人机的现有特性。　　这些仿生设计的飞行器正如宣传的那样，它们不使用旋翼，而是通过拍动机翼来保持飞行。这样做解决了四轴飞行器的许多问题。扑翼机可以更轻，使用功率更小的发动机，并具有更好的空气动力学性能，从而大大提高能效。但最重要的是，它们可以隐身。没有旋翼意味着没有明显的嗡嗡声，这使得它们能够以四轴飞行器无法实现的方式飞行。　　扑翼机的飞行机制大致基于昆虫或鸟类。基于昆虫和鸟类的无人机的研发已超过20年。美国国防部预先研究计划局（DARPA）的纳米飞行器（NAV）项目始于2005年，旨在为军方人员提供小型、安静且适应性强的无人机，用于野外侦察。这些功能中的许多特性也适用于救灾、农业或人群监控等应用。该项目生产了一些值得关注的微型无人机，例如AeroVironment公司生产的纳米蜂鸟无人机（Nano Hummingbird）。乍一看，大多数观察者会认为这架无人机实际上是一只真实存在、但与现实生活毫不相关的鸟类。　　DARPA于2011年悄然结束了NAV项目，想必对其成果感到满意。这类技术很可能已被应用于秘密军事领域。这项技术，以及NAV项目的其他技术，都曾一度难以实现商业化。但现代材料、控制系统和发动机的出现，使这一概念焕发新生。近年来，各种基于鸟类的设计成功进行了演示飞行，克服了小型扑翼机面临的一些关键挑战。风的影响　　然而，现代扑翼机仍然面临挑战。其小巧的机身和自然的空气动力学设计或许是其中最显著的特征。　　风可以像冲击大型客机一样冲击扑翼机，虽然有些风可以引起短暂的起伏，但也可能导致飞机本身结构系统的潜在振动。机翼拍动也与振动存在明显的相关性。无人机翅膀拍打的物理机制与振动问题相矛盾。扑翼机的机身没有像鸟类那样经过数亿年进化而来的生物减震系统，无法有效抑制振动反馈。电机、齿轮和其他机电部件的振动会传递到结构。另一个问题是无人机的姿态，即其相对于地面的方位。除了引起无人机结构振动外，风还会迫使无人机机头上下移动。　　这类飞行不规则现象使得扑翼无人机的灵敏仪器难以使用。这正是清华大学的吴立灿及其合作者在激光雷达地形测绘应用中遇到的问题。他们面临的第一个挑战是振动，它在无人机的高度信号中表现为随机噪声。由于用于大部分地形测绘的激光雷达系统被固定在无人机底部，这些姿态调整意味着激光雷达本身会意外地指向不同的区域。激光雷达是一种灵敏的仪器，这种变化很难消除，导致在大部分地形测绘过程中产生错误的数据。　　研究者针对这两个问题提出了解决方案。其他传感器至少在一定程度上分担了负载。他们研发的现代扑翼机配备了全球导航卫星系统（GNSS），用于在局部区域进行定位。它还配备了一系列惯性测量单元（IMU），即使飞控本身无法纠正任何失准，也能将姿态信息反馈给飞控。他们还依靠滑翔时进行地形测量来消除机翼扑动这一重要的噪声源。他们还发现，稳定器可能有助于将激光雷达传感器持续指向正确的区域。　　不同类型的扑翼无人机可能会遇到不同的问题。例如，如果一架类似昆虫的扑翼机拥有极快的翅膀拍动速度，它的嗡嗡声听起来会很像传统的四轴飞行器。控制算法可能会成为另一个挑战，因为扑翼机具有一些传统四轴飞行器所不具备的操控特性，对于实际的扑翼机构而言较为特殊，而这在实践中很难设计。前行起飞　　尽管面临这些显著的障碍，扑翼无人机仍在不断探索新的应用场景。去年，新墨西哥理工大学展示了其能够扑翼和游泳的鸭子无人机，用于监测迁徙。瑞士洛桑联邦理工学院（EFPL）的研究人员首次推出了RAVEN，这是一款利用类似鸟类腿部起飞的类鸟无人机。　　扑翼机本身仍然是一个活跃的研发领域，因为它似乎还有许多优势有待发掘。关于如何应对技术挑战，人们提出了许多想法，也仍将从大自然中汲取更多灵感。