Resumen técnico de los microaviones.

El primero de ellos es el problema aerodinámico del bajo número de Reynolds.

El segundo es un microsistema de potencia con una alta relación empuje-peso.

El tercero es una tecnología de diseño estructural con una gran relación volumen-peso.

Artículo 4: Estabilidad del vuelo, maniobrabilidad y tecnología de control.

Artículo 5, tecnología de transmisión de información de navegación con control remoto más allá del alcance visual bajo señales de energía débiles.

Artículo 6, Tecnología de optimización del diseño multidisciplinar.

El artículo 7, basado en la tecnología de fabricación y procesamiento microelectromecánico, la microelectromecánica es la tecnología MEMS que mencionamos a menudo.

Entonces, estas 7 tecnologías clave son los problemas que hemos resumido y resumido que deben resolverse en la investigación y desarrollo de microaeronaves, es decir, son los desafíos a los que nos enfrentamos. Entonces, para comprender mejor estos problemas, haremos algunas introducciones más detalladas a continuación.

Problemas aerodinámicos

En primer lugar, echemos un vistazo a los problemas aerodinámicos con números de Reynolds bajos. Para brindarles a todos una comprensión más clara de los problemas aerodinámicos con números de Reynolds bajos, Primero echemos un vistazo a la definición del número de Reynolds. El número de Reynolds se define de tal manera que al realizar una suma adimensional de las ecuaciones que rigen el aire que fluye, aparecen parámetros similares en las ecuaciones, y el número de Reynolds es el parámetro similar más importante. Las ecuaciones rectoras mencionadas aquí son las ecuaciones de conservación de energía y conservación de momento de las que estamos hablando cuando fluye el aire. La expresión del número de Reynolds se puede escribir como una fórmula, ρ (pronunciación: suave), VL/μ (pronunciación: falso). ), donde ρ (pronunciación: soft) representa la densidad del gas, que es constante en condiciones normales del aire, V representa la velocidad relativa del flujo de aire y la aeronave, L representa la longitud de la aeronave, μ (pronunciación: false) representa la constante de viscosidad del gas. ¿Cuál es el significado físico del número de Reynolds? De hecho, refleja la magnitud relativa de la fuerza inercial y la fuerza viscosa en la fuerza aerodinámica. ¿Qué es la fuerza de inercia? Es M multiplicado por A, M es la masa del aire que fluye y A es su aceleración. ¿Cuál es la fuerza viscosa? Es la resistencia que encuentra el avión mientras vuela en el aire. Cuando el número de Reynolds es pequeño, el efecto viscoso es prominente, pero cuando el número de Reynolds es grande, el efecto viscoso puede ignorarse.

Existe una diferencia esencial entre los problemas aerodinámicos con números de Reynolds grandes que solemos estudiar y los problemas dinámicos con números de Reynolds bajos que utilizamos cuando diseñamos microaviones. Bueno, para aviones grandes, sabemos que la velocidad de vuelo de los aviones grandes es generalmente muy alta. Generalmente, cuando alcanzamos la velocidad supersónica, el tamaño característico también es muy grande, por lo que el número de Reynolds también es muy alto. Para los microaviones, debido a que su velocidad de vuelo es relativamente lenta y también muy pequeña, su número de Reynolds es muy pequeño. Luego, existen diferencias esenciales en los mecanismos y métodos de investigación de estos dos problemas aerodinámicos, que requieren un estudio más profundo.

Entonces, echemos un vistazo a la relación entre el número de Reynolds y el tamaño de la aeronave para que todos puedan tener una impresión intuitiva, porque el valor del número de Reynolds es muy grande y generalmente se mide en millones. por unidad, para un avión grande como el Boeing 737, su número de Reynolds es de aproximadamente 100 millones. Para un dron normal, su número de Reynolds es de aproximadamente un millón a entre 10 millones, y para un objeto volador como un águila, su número de Reynolds. está entre 100.000 y un millón, y para el MAV que nos preocupa, que es un microavión, su número de Reynolds es aproximadamente 10 entre la cuarta potencia y 10 elevado a la quinta. Para un objeto volador como una mariposa, su número de Reynolds está aproximadamente entre 10 elevado a la 3ª potencia y 10 elevado a la 4ª potencia. Podemos ver en esta figura que el número de Reynolds de un avión grande como el Boeing 737 es muy diferente en magnitud del número de Reynolds del microavión que nos preocupa. Por lo tanto, existen diferencias esenciales en el mecanismo del flujo de aire y sus métodos de investigación. Entonces, ¿cómo resolver este problema? Su solución es la misma que la solución aerodinámica de los grandes aviones convencionales. En otras palabras, no son más que métodos de simulación numérica y métodos de experimentos aerodinámicos. Entonces, la imagen que vemos es en realidad un método de simulación numérica para simular el flujo de un microavión en el aire por debajo del número de Reynolds. Luego, para un objeto simple, como una bola o un cilindro, podemos usar métodos numéricos para simular su flujo en aire con un número de Reynolds bajo.

Para un objeto geométrico con una forma compleja como un microavión, necesitamos estudiar su mecanismo de flujo en aire con bajo número de Reynolds y su método de simulación numérica.

Echemos un vistazo a la segunda forma básica de investigar y desarrollar aerodinámica con un número de Reynolds bajo, que es el túnel de viento y la tecnología experimental. Entonces, para los microaviones, si queremos desarrollar e investigar microaviones, necesitamos realizar experimentos en un túnel de viento. En este momento, necesitamos un túnel de viento especial para respaldar este experimento. Este túnel de viento especial debe tener dos características. . El primero es el requisito de un número de Reynolds bajo. Esto es fácil de entender para todos. Los microaviones vuelan en aire con un número de Reynolds bajo y otro requisito es su baja turbulencia. Entonces, ¿por qué existe un requisito de turbulencia menor? El principal requisito es que la fuerza aerodinámica y el par ejercidos sobre el microavión sean muy pequeños. Si la calidad del flujo en el túnel de viento no es muy buena, entonces la fuerza y ​​el par generados por la perturbación del flujo de aire son de magnitud suficiente para ser comparables a la sustentación y el par reales producidos en un microavión en condiciones de vuelo normales. , su magnitud es casi la misma, lo que afectará la precisión de toda nuestra medición. Por lo tanto, requerimos que este túnel de viento especial tenga baja turbulencia, y no hay muchos túneles de viento que cumplan estas dos condiciones al mismo tiempo en el mundo. Además, la fuerza aerodinámica y el momento en el microavión son muy pequeños, por lo que el sistema de control del túnel de viento, su sistema de medición de fuerza y ​​su suspensión, incluido el modelo, se generan en un túnel de viento normal. Es necesario rediseñar y mejorar el sistema para cumplir con los requisitos del diseño de microaviones.

Cuando estábamos investigando y desarrollando microaviones, la segunda tecnología clave que encontramos fue el microsistema de energía con una alta relación empuje-peso. Sabemos que la potencia es el corazón de la aeronave, por lo que para el sistema de micropotencia con una alta relación empuje-peso, tenemos tres problemas que deben resolverse. El primer problema es la necesidad de resolver el diseño de hélices de alta eficiencia. Tecnología, ¿por qué plantear semejante pregunta? Porque podemos ver en la siguiente introducción que la mayoría de los microaviones desarrollados en el mundo utilizan motores eléctricos para impulsar las hélices para volar el avión. Por lo tanto, el tamaño del microavión es muy pequeño y, por supuesto, su hélice también lo será. ser muy pequeño. Cómo mejorar la eficiencia de las microhélices es una de las cuestiones clave que queremos resolver. El segundo problema al que nos enfrentamos a este respecto es la investigación sobre baterías de alta densidad energética y micromotores que ahorran energía.

Entonces, ¿por qué necesitamos estudiar este tema? De la explicación anterior, podemos ver que los microaviones más recientes y avanzados estudiados en el mundo, como el Black Widow y el satélite, tienen The La duración de la batería es de sólo 20 minutos. El requisito de DARPA es de dos horas y esta brecha es muy grande. Entonces, ¿cómo acortar esta distancia? Entonces, lo principal es mejorar su suministro eléctrico. Entonces, estudiar baterías de alta densidad energética y micromotores que ahorran energía es una forma de resolver este tipo de problemas. Otra forma es solicitar un micromotor a reacción. Según el Programa de Investigación Preliminar del Departamento de Defensa de EE. UU., DARPA está financiando al Instituto de Tecnología de Massachusetts para desarrollar un micromotor a reacción de tipo botón y combustible de hidrógeno hecho de silicio. El diámetro de este tipo de motor es de sólo 1 centímetro, lo que significa que es un poco más pequeño que el diámetro del RMB normal. Su espesor es de tres milímetros. Su empuje está entre 0,05 y 0,1 Newton y consume alrededor de 10 gramos por hora. hidrógeno, es decir, si quiere volar durante dos horas, consume 20 gramos de hidrógeno y el peso de su combustible de hidrógeno es muy pequeño. Está previsto que este micromotor de avión se produzca en 2001 y se pueda utilizar. El prototipo permitirá al microavión alcanzar velocidades de 57 a 114 kilómetros por hora. La distancia de vuelo alcanza de 60 a 111 kilómetros. Se puede decir que la tecnología de micromotores a reacción es la forma más fundamental de resolver las deficiencias del corto tiempo de vuelo y el corto alcance de los microaviones actuales.

Veamos esta imagen, que es el diagrama esquemático del motor microrreactor de combustible de hidrógeno hecho de silicio desarrollado por el MIT. Su diámetro es de 1 centímetro y su grosor es de tres milímetros. Tipo motor a reacción en miniatura, también es pequeño pero tiene todos los órganos internos. Tiene una entrada de aire, un puerto de escape, una cámara de combustión y un estabilizador de llama. Existen varios tipos de palas de rotor, como palas de rotor de compresor, palas de difusor de compresor, palas de rotor de turbina, palas guía de turbina, etc. En otras palabras, tiene todos los componentes y sistemas principales que debería tener un motor grande normal.

En el proceso de investigación y desarrollo de microaviones, la tercera tecnología clave que encontramos es la tecnología de diseño estructural de gran relación volumen-peso. Sabemos que la mayor contradicción que enfrenta un microavión es su pequeño tamaño y peso ligero. Además, tiene que transportar básicamente todo el equipo aéreo principal como un avión grande. Por supuesto, el tamaño de su equipo aéreo es diferente. de un avión grande. El avión es pequeño en comparación. Pero también debería ser el sistema principal que debe cargarse dentro del avión. Por lo tanto, para resolver esta contradicción, es clave estudiar nuevos diseños estructurales. El diseño del disco y el diseño del ala volante doble que vimos anteriormente son los que se muestran en la imagen. La figura del diseño de doble ala que se muestra arriba y demás son exploraciones de nuevos diseños estructurales.

Además, otra forma de solucionar este problema es combinar baterías y estructuras, que es la tecnología compuesta de baterías y estructuras. En otras palabras, convertimos la estructura en una batería, y la batería también lo es. una estructura. Por supuesto que puede ser todo o parte de él. Por un lado, puede reducir en gran medida el peso de los microaviones y, por otro, puede proporcionar energía eléctrica relativamente suficiente. Se informa que Estados Unidos está estudiando una nueva tecnología que utiliza baterías de película delgada para las alas fijas de los microaviones.

En el proceso de investigación y desarrollo de microaviones, la cuarta tecnología clave que encontramos que debe resolverse es la estabilidad del vuelo, la maniobrabilidad y la tecnología de control. El tamaño de los microaviones es muy pequeño. del flujo de aire es muy alto, por lo tanto, es más difícil utilizar el método de control de timón tradicional. En este momento, podemos usar el método de control de flujo en tecnología microelectromecánica para reemplazar el método de timón tradicional. La actitud del avión también se puede estabilizar y controlar. Para ilustrar este concepto, veamos una imagen como esta. La imagen de la izquierda es el ala delta de un avión. El ala está controlada por un microactuador. Hay una fila de bolsas de aire distribuidas y el borde de ataque del ala derecha es un borde de ataque de ala normal. Entonces, debido al efecto de los microairbags distribuidos, el flujo generado por los bordes de ataque izquierdo y derecho del ala es un flujo asimétrico. Por lo tanto, hay una diferencia de sustentación entre los lados izquierdo y derecho. elevación que hace que el ala gire. Entonces, para tener una descripción más clara de este problema, echemos un vistazo a estos dos conjuntos de imágenes.

Veamos primero el conjunto de imágenes de la izquierda, que muestra las posiciones de los microairbags en el borde de ataque del ala, respectivamente en la parte inferior, parte delantera inferior, parte delantera superior y parte superior. Sin embargo, el conjunto de imágenes de la derecha representa la situación en la que la distribución del flujo de aire en los bordes de ataque de las alas izquierda y derecha forma vórtices. Para el borde de ataque derecho, al no haber airbag distribuido, su flujo es el mismo bajo cualquier circunstancia, mientras que para el borde de ataque izquierdo, debido a que hay airbags distribuidos en diferentes posiciones, el tamaño de su flujo y el vórtice formado por su flujo son diferentes. , por lo que produce diferentes pares.

Entonces esta imagen ilustra este concepto más claramente. La abscisa de esta imagen es la posición del airbag, que está representada por el ángulo (pronunciado: cita), y la ordenada representa el ángulo causado por la asimetría. flujo El tamaño del momento de balanceo, podemos ver que a medida que cambia la posición de la bolsa de aire, el tamaño del momento de balanceo cambia. Esto muestra que podemos usar el control de flujo para reemplazar la superficie del timón de avión tradicional, y luego tenemos. Surgen dos nuevas preguntas. La primera pregunta es cómo producir este tipo de microairbag. ¿Cómo producimos este tipo de microairbag en un avión real? Aquí es cuando nos encontramos con un nuevo problema, esto debe usar MEMS. tecnología para resolver. Otro problema que tenemos que resolver es cómo distribuir los airbags por toda la superficie del ala y lograr el control de los airbags.

La quinta tecnología clave que encontramos al investigar y desarrollar microaviones es la tecnología de navegación por control remoto y transmisión de información bajo señales de energía débiles. Los microaviones prácticos requieren un alcance de más de 10 kilómetros. Sin embargo, debido a las estrictas restricciones de peso de los microaviones, los receptores y transmisores aéreos más grandes a menudo no pueden lograr control remoto a larga distancia con señales débiles. por lo tanto, es imperativo llevar a cabo investigaciones sobre tecnologías y equipos clave para la transmisión de información de navegación por control remoto sobre el horizonte bajo señales de energía débiles.

Se puede decir que la tecnología de transmisión de información de navegación por control remoto más allá del alcance visual bajo señales de energía débiles es una tecnología clave para poner en práctica los microaviones del laboratorio. Cuando investigamos y desarrollamos microaviones, nos encontramos con el sexto. La tecnología clave es la tecnología de optimización del diseño multidisciplinario. Vemos que esta imagen en realidad utiliza tres disciplinas: aerodinámica, estructura y propulsión, que es el sistema de propulsión. Estas tres disciplinas se utilizan como ejemplos para ilustrar todo el proceso. de optimización del diseño. Un operador de optimización optimiza las variables de diseño dentro de cada disciplina, es decir, optimiza dentro de las tres disciplinas de Aerodinámica, Estructura y Propulsión, y optimiza entre disciplinas, finalmente se satisfacen las restricciones y requisitos de rendimiento óptimo. Esta es la idea general de la optimización del diseño multidisciplinario, por lo que para la optimización del diseño multidisciplinario, se puede utilizar en aviones grandes, otros diseños de aviones e incluso en el diseño de cualquier producto industrial. urgente. ¿Por qué? Se debe a los requisitos de tamaño pequeño y peso ligero de los microaviones que mencionamos a menudo antes. Bueno, la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de los EE. UU., DARPA, está financiando actualmente investigaciones en esta área, y mide 6 pulgadas de largo, aproximadamente 15 centímetros. Éxito en el diseño de microaviones que puedan realizar misiones de reconocimiento. En este sistema de diseño de optimización multidisciplinario, las disciplinas involucradas incluyen principalmente los parámetros de rendimiento de los sistemas de micropropulsión, aerodinámica de bajo número de Reynolds, calidad y mecánica de vuelo, control de vuelo, diseño estructural y diseño de detalle, etc. Los módulos que involucran estas disciplinas son Los paquetes de software representados por un módulo llamado NEWSUMT-1 se combinan para formar una plataforma práctica de optimización de diseño multidisciplinario. Hay una palabra SUMT en él, por lo que en realidad es una tecnología relativamente avanzada en diseño de optimización, llamada tecnología de programación secuencial sin restricciones. Entonces, NUEVO es su tipo de desarrollo y UNO es su primera versión. Luego, el uso de un paquete de software tipo NEWSUMT-1 forma una plataforma práctica de optimización del diseño multidisciplinario.

En el proceso de investigación y desarrollo de microaviones, la séptima tecnología clave que hemos encontrado que necesita ser resuelta es la tecnología de fabricación y procesamiento microelectromecánico. Es decir, tecnología de procesamiento y fabricación basada en MEMS. Desarrollado en la dirección de la miniaturización, la sofisticación y la integración, MEMS nació y se desarrolló junto con esta tendencia. Desde que apareció el primer micromotor con un diámetro de 100 U (pronunciado: M) en los Estados Unidos a fines de la década de 1980, la investigación MEMS se ha desarrollado rápidamente. Se han introducido uno tras otro varios microactuadores, microcontroladores y microrobots, y varias organizaciones tienden a hacerlo. estar altamente integrado. Forme un sistema electrónico micromecánico completo. El tamaño de todo el sistema se ha reducido a unos pocos milímetros o incluso cientos de micrones, y se ha iniciado la investigación sobre microdispositivos basados ​​en MEMS. Al mismo tiempo, la investigación de MEMS ha pasado de una tecnología de procesamiento única a una integrada. sistema de diseño y fabricación, y han surgido muchas integraciones de tecnología de herramientas de diseño y fabricación. Como maquinaria microelectrónica, diseño asistido por computadora, sistema MEMCAD, prototipo asistido por computadora de microsistema avanzado, sistema CAPAM, etc. También han surgido prácticos sistemas CAD y herramientas de simulación MEMS.

Entonces, ¿por qué la tecnología de procesamiento y fabricación basada en tecnología MEMS es una tecnología clave para la investigación y el desarrollo de microaviones? No es difícil encontrar la respuesta si miramos estas dos imágenes. Nuestra imagen en la parte superior izquierda es un microavión. Su tamaño debe ser inferior a 15 cm y su peso debe limitarse a 100 gramos. Un microavión tan pequeño y ligero debe estar equipado con el equipo electromecánico principal que debería tener un avión normal. Por supuesto, el tamaño de este equipo electromecánico también está miniaturizado. Bueno, este tipo de microaviones en realidad no se pueden fabricar sin depender de la tecnología de fabricación MEMS.

Echemos un vistazo a estas dos imágenes. Estas dos imágenes son el equipo aerotransportado que utilizamos en los microaviones. La imagen de arriba a la izquierda muestra estos equipos aerotransportados y nuestro tamaño normal de 3,5 pulgadas. Compare el tamaño. del disquete. Este es un disquete de 3,5 pulgadas. Los dos siguientes son equipos aerotransportados utilizados en microaviones. Las piezas originales de este equipo aerotransportado están muy centralizadas e integradas, y su tamaño es muy pequeño. Se debe utilizar tecnología MEMS para procesar dichos equipos aéreos.

La imagen a continuación es la misma que la pluma de longitud normal, el equipo aerotransportado utilizado en los microaviones es muy pequeño y está altamente integrado, por lo que también debemos utilizar tecnología MEMS para procesarlo y fabricarlo. Este tipo de equipo aerotransportado, por lo que decimos que la tecnología de fabricación y procesamiento basada en MEMS es una cuestión clave para resolver el desarrollo de microaviones.