An experimental study of elastic properties of dragonfly-like flapping wings for use in biomimetic micro air vehicles (BMAVs)

This article studies the elastic properties of several biomimetic micro air vehicle (BMAV) wings that are based on a dragonfly wing. BMAVs are a new class of unmanned micro-sized air vehicles that mimic the flapping wing motion of flying biological organisms (e.g., insects, birds, and bats). Three structurally identical wings were fabricated using different materials: acrylonitrile butadiene styrene (ABS), polylactic acid (PLA), and acrylic. Simplified wing frame structures were fabricated from these materials and then a nanocomposite film was adhered to them which mimics the membrane of an actual dragonfly. These wings were then attached to an electromagnetic actu-ator and passively flapped at frequencies of 10–250 Hz. A three-dimensional high frame rate imag-ing system was used to capture the flapping motions of these wings at a resolution of 320 pixels × 240 pixels and 35000 frames per second. The maximum bending angle, maximum wing tip deflection, maximum wing tip twist angle, and wing tip twist speed of each wing were measured and compared to each other and the actual dragonfly wing. The results show that the ABS wing has considerable flexibility in the chordwise direction, whereas the PLA and acrylic wings show better conformity to an actual dragonfly wing in the spanwise direction. Past studies have shown that the aerodynamic performance of a BMAV flapping wing is enhanced if its chordwise flexibility is increased and its spanwise flexibility is reduced. Therefore, the ABS wing (fabricated using a 3D printer) shows the most promising results for future applications.     

Topology optimization of compliant adaptive wing leading edge with composite materials

An approach for designing the compliant adaptive wing leading edge with composite material is proposed based on the topology optimization. Firstly, an equivalent constitutive relationship of laminated glass fiber reinforced epoxy composite plates has been built based on the symmetric laminated plate theory. Then, an optimization objective function of compliant adaptive wing leading edge was used to minimize the least square error（LSE） between deformed curve and desired aerodynamics shape. After that, the topology structures of wing leading edge of different glass fiber ply-orientations were obtained by using the solid isotropic material with penalization（SIMP） model and sensitivity filtering technique. The desired aerodynamics shape of compliant adaptive wing leading edge was obtained based on the proposed approach. The topology structures of wing leading edge depend on the glass fiber ply-orientation. Finally, the corresponding morphing experiment of compliant wing leading edge with composite materials was implemented, which verified the morphing capability of topology structure and illustrated the feasibility for designing compliant wing leading edge. The present paper lays the basis of ply-orientation optimization for compliant adaptive wing leading edge in unmanned aerial vehicle（UAV） field.     

无人驾驶飞行器的气动特点和设计

首先论述了发展无人驾驶飞行器(UAV)的重要性,集中介绍了2种UAV的平台,包括:高空长航时UAV和无人战斗机(UCAV)。讨论了这2种飞行器空气动力特点和气动设计的主要问题。对于高空长航时UAV设计中要重点发展的专用翼型的设计,介绍了一种新型的杂交设计思想和提出了基于CFD技术的多目标多点优化设计的工具。讨论了此类飞行器三维机翼设计的基本要求和三维后掠自然层流机翼的设计。UCAV设计中强调了气动/隐身综合设计的重要性,讨论了无尾布局时新型先进气动控制和矢量推进相结合的必要和难点。     

飞机飞行品质规范发展综述

首先阐述了国内外有人驾驶飞机飞行品质规范的发展历程;然后对无人机飞行品质规范的发展现状进行了分析,介绍了国外无人机飞行品质规范的研究前沿;针对飞行品质规范的强制性问题进行了分析;最后总结了对我国飞行品质规范发展的几点启示。     

十公斤级固定翼无人机全碳纤维机翼设计与应力分析

根据轻型固定翼无人机性能要求,设计了一款最大起飞结构质量为10 kg、质量轻、强度高、刚度高的固定翼无人机全碳纤维机翼;基于气动性能分析和结构几何设计,建立了机翼结构的三维模型;采用"封闭矩形截面缘条"盒式梁结构,增大了机翼的扭转刚度;建立了机翼结构有限元模型,采用最大应力强度准则,对机翼结构的强度、刚度、稳定性进行了校核。对蒙皮碳纤维铺层结构进行了优化。结果表明,结构应力集中区域位于翼梁根部螺栓孔区域,该区域应力水平决定了结构的初始强度;机翼大梁上缘条根部和附近的蒙皮易发生屈曲;优化后蒙皮减重121.6 g,占机翼初始结构质量的11.94%。     

适用自动铺丝工艺的中模高强碳纤维预浸料研究

目前,自动铺丝技术是航天航空大型结构件制备工艺的发展方向,而中模高强碳纤维预浸料适用于航天航空主承力结构件的制备,达到减重的需求,因此,自动铺丝工艺用中模高强碳纤维预浸料的研究至关重要。采用HF40A中模高强碳纤维匹配EH918树脂体系,开展了预浸料的自动铺丝工艺适用性研究。通过与满足自动铺丝工艺的某预浸料对比分析,确定了满足自动铺丝工艺要求的EH918/HF40A;对比手工铺放与自动铺丝制备的板材的力学性能,数据表明,自动铺丝板材的力学性能与手工铺放板材性能相当,无明显差异;采用该材料和自动铺丝工艺制备了典型部件,并进行了无损测试,其质量满足指标要求。     

压电-光纤综合结构健康监测系统的研究及验证

以某型无人机机翼盒段试验件为对象,进行了压电-光纤综合结构健康监测系统的研究。自主研发了国内首台集成压电多通道扫查系统,可实现多达552个激励 传感通道的损伤自动扫查,并同光纤光栅解调系统组合,自行开发了集成健康监测系统软件,构成了压电-光纤综合结构健康监测系统。基于该系统进行了大型碳纤维复合材料盒段试验件弯扭强度实验过程中的结构健康监测功能验证研究,监测结构尺寸达4000 m×1200 m×0.265 m,监测对象包括结构的应变场分布及抽钉失效。系统监测了全盒段上下壁板共34点的应变场分布情况,应变场监测准确;监测系统不仅对结构抽钉的缺失实现了准确监测,而且可以分辨所实验结构的4种抽钉缺失程度。     

电动无人机动力系统优化设计及航时评估

为提高电动无人机续航性能,针对动力系统进行了优化设计,并提出了相应的航时评估方法.首先采用涡流理论优化设计了小型螺旋桨,再通过实验测试优化选取了与螺旋桨高效率匹配的电动机.同时,考虑到锂离子电池放电倍率及电压降低对放电时间的影响,建立了恒功率条件下电池放电时间计算模型.最后,根据优化得到的动力系统和电池计算模型,推导出有弯度机翼的电动无人机航时公式.某电动飞翼布局无人机飞行试验结果显示,优化得到的动力系统具有较高的效率,测试得到的无人机续航时间与评估得到的理论值误差为12%,在允许误差范围内吻合较好.      

类X?47B无人机菱形编队气动干扰数值模拟

设计了一种由4架类X?47B飞翼布局无人机（UAVs）组成的菱形编队。通过求解RANS方程的数值模拟方法,研究了菱形编队无人机气动干扰问题,详细分析了影响机理,定量给出了编队减阻效果。计算结果表明:头机气动性能基本保持不变。两侧僚机受上洗气流影响,其减阻效果明显。尾机主要受下洗气流影响,其阻力增大,对编队久航和远航不利。在重力配平条件下,两侧僚机飞行阻力的减小是由攻角减小和诱导阻力减小共同引起的。尾机在编队中飞行阻力的增大主要是攻角增大带来的阻力增加,诱导阻力增大仅带来了20%的阻力增量。从减小下洗气流对尾机的不利影响出发,对不同垂向间距的尾机升阻特性进行了研究,并参考雁群头鸟变换行为机制,给出了无人机菱形编队飞行建议。      

Φ10 mm 碳纤维复合材料管成型工艺及性能研究

对外径为Φ10 mm碳纤维复合材料管成型工艺及性能进行了研究。结果表明,采用热缩工艺成型的碳纤维复合材料管工艺简单、质量可靠,Φ10 mm碳纤维复合材料管件弯曲刚度与不锈钢管相当,弯曲强度为不锈钢的3倍以上,质量仅为不锈钢的50%,尺寸精度满足设计要求。     

轻型无人机复合材料机翼设计分析与验证

基于轻型无人机复合材料的机翼,在选定机翼构件布局、材料和构型,建立机翼结构有限元模型的基础上,计算分析了机翼的静强度、应力分布,并对其进行试验验证。该方法对中小型复合材料无人机结构设计和静强度试验具有一定的参考价值。     

无人机磁航向测量的自动罗差补偿研究

 利用地球磁场测量无人机的航向时，需要对机上铁磁材料引起的罗差进行补偿。为了降低补偿费用,减小补偿试验时周围环境的影响，提出一种利用飞机左右盘旋飞行时采样数据实现罗差自动补偿的方法。采用椭圆假设算法，可利用飞机平飞时在多于5个不同方向的采样数据来自动补偿平飞时的罗差。在任意姿态飞行时，把飞机左右盘旋时采样的数据分解为4个椭圆，并求出它们相对于椭圆假设的24个系数。再利用这24个系数和飞机的俯仰角、倾斜角以及地磁场垂直分量求出任意姿态下罗差补偿所需的12个系数。实验结果表明，该方法效果良好，方便可行。某无人机补偿前最大误差为21.5°；用传统方法补偿后最大误差为2.3°；用本文方法几乎不需要额外的费用，补偿后最大误差为1.6°。     

高温吸波材料研究现状

论述了常见的石墨、乙炔炭黑吸收剂、碳纤维和碳化硅高温吸收剂的性能和应用概况，重点论述了碳化硅纤维、纳米碳化硅吸收剂处理方法和性能。综述了高温吸波材料的研究及应用概况。     

亚声速翼身融合无人机概念外形参数优化

为了兼顾翼身融合（BWB）布局无人机（UAV）的气动、隐身和结构重量要求,应用优化方法研究了某亚声速翼身融合无人机概念方案的外形设计问题。外形优化设计流程包括全机参数化几何外形模型、气动分析、机翼根部弯矩计算、雷达散射截面（RCS）分析、代理模型的建立和外形参数优化计算。选择了三种不同优化目标研究翼身融合无人机外形优化问题：①未配平状态升阻比最大;②配平状态升阻比最大;③配平状态升阻比尽量大和机翼弯矩尽量小。通过优化结果的对比分析,揭示了配平约束和机翼弯矩目标对优化设计结果的影响。研究结果表明：计入配平约束能够有效提高配平升阻比;将配平状态升阻比尽量大和机翼根部弯矩尽量小作为优化目标能够获得合理的优化外形。     

小型和微型无人机的气动特点和设计

讨论了当前包括固定翼、扑翼和微型旋翼的小型无人驾驶飞行器(SUAV)和微型无人驾驶飞行器(MAV)的进展和未来发展可能涉及的技术问题。讨论了低雷诺数空气动力特性,包括分离气泡和展弦比的影响。介绍了用于拍动翼的非定常空气动力特性和高升力机理。讨论了目前存在的2种设计方法——多学科/多目标优化设计和探索式/进化式的设计方法,以及在设计中柔性翼和主动智能控制的重要性。     

低雷诺数分布式螺旋桨滑流气动影响

以高空长航时（HALE）太阳能无人机（UAVs）研究为背景,采用基于混合网格技术及k-k_L-ω转捩模型求解雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程的多重参考系（MRF）方法,对3种螺旋桨-机翼构型的低雷诺数气动特性进行了高精度准定常数值模拟,在等拉力前提条件下,通过对比机翼气动力系数及表面流场结构特征分析了分布式螺旋桨（DEP）滑流对FX63-137机翼的气动影响。研究表明：螺旋桨滑流影响使得桨后总压及流速显著增大,这是机翼升力增大的主要原因,但同时机翼阻力特性急剧恶化,升阻比反而降低;螺旋桨滑流向机翼边界层内注入丰富湍动能从而抑制流动分离,扩大机翼表面湍流范围及附着流动区域;分布式螺旋桨滑流与低雷诺数机翼表面复杂流动相互作用显著,主要表现为滑流区域边界展向涡结构的产生。     

几种碳纤维/双马树脂复合材料湿热特性实验研究

 针对碳纤维/双马树脂体系,研究了不同湿热条件、不同碳纤维种类和预浸料制备方法下复合材料层板的湿热特性,通过考察吸湿量、动态力学性能、弯曲性能及其断口形貌等方面分析了各因素对复合材料吸湿特性的影响规律。结果表明,在实验范围内不同湿热条件下水分主要引起复合材料发生了物理变化,而没有发生明显的化学变化;国产T300级碳纤维复合材料湿热性能偏低,这与其界面粘结性能较弱有一致性;与干法预浸料相比,湿法预浸料制备的复合材料层板湿热性能明显偏低,说明溶剂对双马树脂复合材料的界面性能和吸湿性有重要影响。     

飞翼无人机保形进气道耦合进口格栅气动与隐身综合特性

基于飞翼无人机(UAV)保形进气道和工程应用实例,进行了不同格栅间距的格栅设计。结合多层快速多极子方法(MLFMM)和混合网格计算方法,开展了保形进口格栅气动和隐身综合特性研究。结果表明:①随着格栅尺寸（间距)减小,格栅隐身效果逐渐增强;频率为1GHz下,格栅间距为波长的1/3时,格栅电磁屏蔽效率约为48.93%,而当格栅间距达到波长的1/6时,接近于完全屏蔽;②保形进口格栅对无人机翼面上流动干扰较小而对进气道内流特性影响明显;③随着格栅尺寸减小,全机升阻特性逐渐略微下降,进气道出口截面总压恢复逐渐降低而畸变指数逐渐增大。      

低雷诺数小型无人驾驶飞行器气动设计

讨论了当前固定翼小型无人驾驶飞行器(SUAV)的发展.分析了低雷诺数小型飞机的空气动力特性,包括对升阻比和分离气泡的影响.根据设计性能指标,进行总体参数估算,完成了两种方案的外形设计,分别采用了正常和无平尾的布局形式,进行了不同的低雷诺数翼型和机翼配置,并对设计结果进行了气动分析.讨论了两种布局形式的优缺点,包括起降性能和稳定性,完成了总体气动方案的初步设计.     

典型亚声速飞翼布局无人机红外隐身特性分析

隐身技术作为提高作战生存力的关键环节,是复杂对抗环境下武器装备信息化作战的最重要技术指标。飞翼布局以其独特的隐身优势,成为无人作战飞机首选布局形式。文章以超低RCS亚声速飞翼布局无人机平台为基础,从多频谱隐身特征平衡设计出发,针对其采用低发射率材料前后的红外隐身特性进行了对比分析,验证了红外隐身措施的有效性。