一种新型三维仿生扑翼机构设计与分析

以昆虫翅膀运动机理为基础,提出了一种复合3种运动的仿生扑翼新机构。由于能使翼尖按8字形或香蕉形运动及机翼扭转,同时可保证两翼的运动对称,使扑翼运动更符合昆虫运动形态。为了实现生物运动轨迹,建立了机构参数的优化模型,并据此设计了扑翼微型飞行器样机,其扑动规律能更逼真地模拟昆虫翼的扑动形态,为新型微型飞行器的设计提供样机。     

仿鸽扑翼的气动性能分析

以鸽子的特征尺寸以及飞行方式作为研究的主要对象和研制微型扑翼飞行器的模拟目标,使用空间非定常涡格法对仿鸽扑翼飞行器进行了气动性能的计算,分析了迎角、扑动角、飞行速度、扑动频率和推进比等参数对微型扑翼飞行器的气动性能的影响,对扑翼飞行器的设计有一定的参考作用.     

前后双扑翼微型飞行器推力研究

为探讨前后双扑翼微型飞行器产生推力的机理和变化规律,通过在动态网格上求解Navier-Stokes方程,对前后双扑翼在不同水平距离、相位角、扑动频率和来流攻角下推力的变化进行了数值模拟和分析.总结出推力随各参数变化的规律,为前后双扑翼微型飞行器的设计提供了参考依据.     

扑翼式微型飞行器的风洞试验动态数据采集和处理

介绍了扑翼式微型飞行器的虚拟仪器测控系统结构,以及为避免多线程中死锁的关键问题,建立基于安全队列的多线程技术的动态实验测量系统.以微型飞行器风洞动态实验为对象,解释了基于安全队列的多线程技术应用于动态测控实验的优势.通过某扑翼式MAV进行吹风试验和频率谱计算,进一步验证了动态测量的正确性.     

仿鸟复合振动的扑翼气动分析

根据绿头鸭飞行的录像片断，对其平飞时翅膀的扑动模型进行简化，提出了一种新的变速－折叠扑翼扑动模型，使之更符合鸟类翅膀的实际扑动规律。通过非定常涡格法的比较计算发现，以该新模型规律运动的扑动翼，在一个周期内的平均升力系数较原有的钭角速度刚性模型有了显著增加，更适用于设计微型扑翼机。本文较详细地计算分析了扑翼平均升力系数随着扑动幅度、俯爷幅度以及扑动频率等各种扑动参数的变化曲线，为微型扑翼机的设计提供了一定的参考依据。     

微型扑翼的推进特性实验研究

为了研究微型扑翼的推力和推进效率特性,研制了基于虚拟仪器( Ⅵ)的微型扑翼风洞实验系统.该系统以西北工业大学现有微型风洞为基础,采用了高精度六分量天平、角度传感器.新型机翼扑动机构、可编程电源、工控机等设备,利用基于虚拟仪器(Ⅵ)的LabView软件对上述设备进行集中控制与数据处理.利用上述实验系统研究了风速、扑动频率、展弦比、根稍比及机翼扑动幅度对微型扑翼推力和推进效率的影响,总结出了微型扑翼推力及推进效率的基本规律,为微型扑翼飞行器机翼设计及飞行控制方式提供了参考.     

基于非定常涡格法的扑动频率对机翼涡和尾涡推力的影响

随着对非定常涡格法(UVLM)和低雷诺数空气动力学研究的不断深入,扑翼无人机(UAV)的发展已成为航空航天领域的研究热点。虽然以往的研究大多是关于扑翼无人机的俯仰和扑动运动,但为了更准确地仿真,需要研究机翼涡和尾涡对飞行器推力的气动影响。将三维非定常涡格法应用于扑翼飞行器模型,研究了不同扑动频率下机翼涡和尾涡产生的瞬时推力。结果表明:平均推力随着扑动频率的增加而增大,机翼涡产生的推力远大于尾涡;机翼涡和尾涡的推力比随扑动频率的增加而增大。本研究有助于了解生物的飞行机理,改进仿生扑翼飞行器的设计。     

仿生微型扑翼飞行器中的空气动力学问题研究进展与挑战

对仿生微型扑翼飞行器相关的空气动力学问题的研究进展进行了综述,并分析了未来发展面临的机遇与挑战。与自然界的飞行生物相比,目前仿生扑翼飞行器的飞行能力还很笨拙,距离高仿生还有较大距离。其中,所涉及的低雷诺数非定常空气动力学问题成为研究者在深入研究时面临的一个主要难题,关键在于数值模拟和风洞实验均难以准确模拟飞行中的实际状态。具体面临的难题主要包括:(1)仿生微型扑翼飞行器所处的雷诺数为103~105量级,属于对转捩与湍流非常敏感的区域,相关的气动机理复杂;(2)柔性翼在飞行中密切相关的动气动弹性问题;(3)高机动飞行导致的动气动弹性耦合飞行力学问题;(4)扑翼飞行的复杂姿态对飞控系统的挑战及反馈耦合算法的设计等。这些层层深入的多学科耦合难题导致了目前具备的研究手段难以为仿生扑翼飞行器的研究提供定量的分析与改进设计。在解决上述难题的基础上,未来可进一步在高机动灵活飞行姿态方面进行深入研究,对仿生柔性翼的刚度分布开展详细设计,使仿生扑翼飞行器具有像自然界飞行生物一样的主动变形能力,可在复杂的环境下具备高机动飞行能力,最终实现高仿生外形和性能的人造飞鸟或人造飞虫。     

可差动扭转扑翼飞行器的设计和风洞试验研究

常规的仿鸟扑翼飞行器在飞行时机翼只是单纯地上下扑动.为提高扑翼飞行器横航向和航迹控制的品质,设计了一种机翼在扑动的同时可差动扭转的仿鸟扑翼飞行器;在低速风洞中对其进行了一系列测力试验,研究了可差动扭转扑翼飞行器的升力、推力特性,以及机翼差动扭转角、扑动频率、风速、机翼柔性对滚转力矩系数的影响;对设计的扑翼飞行器做了飞行试验,验证了设计的可行性,并与常规扑翼飞行器作了对比,试验结果表明:可差动扭转扑翼可以用于扑翼飞行器的横向控制,并且可以提高其抗风能力和航迹控制精度.     

适合于柔性结构扑翼飞行器的空间非定常涡格法

推导了新的基于空间非定常涡格法的扑翼飞行器升力和推力的计算公式,然后分析了瞬时形状速度对它们的影响.与实验结果的对照表明,基于向量分析、考虑了飞行中的诱导阻力因素的新公式可以有效地估算升力和推力.由于结构的柔性使扑翼在扑动过程中存在变形,本文考虑了空间涡格法中扑翼的η/t对气动力的影响,提出了η/t的表达式,使之更接近真实扑动情况,并计算了其对扑翼飞行器升力和推力的影响.通过计算发现,升力系数和推力系数的正峰值和负峰值随η/t增大而增大,平均升力和平均推力也随η/t增大而增大,表明可以通过改变结构参数达到改善气动性能的目的,对扑翼飞行器的研制有一定的指导作用.     

微小型仿生飞行机器人柔性翅的仿生设计与实验研究

自然界昆虫和小鸟翅膀柔性在提高气动效率和飞行稳定性方面具有很大优势,因而翅的柔性仿生研究将成为目前微小型仿生飞行机器人的重要方向.以昆虫翅膀为基础,进行了柔性翅的仿生机械设计,并重点对其柔性进行了分析和实验研究.实验结果表明,柔性翅的展弦比和前缘梁刚度对升力有较大的影响,其中变刚度前缘梁和大展弦比有益于升力的产生.     

昆虫的扑翼轨迹及高升力机理

通过昆虫飞行运动学测试系统测试了约束状态下蜻蜓、独角仙和鸣鸣蝉等3种昆虫飞行时的各项参数,分析了1个周期的扑翼过程、扑翼轨迹和翅膀变形等。蜻蜓的扑翼频率为22±3 Hz,独角仙的扑翼频率为30±5 Hz,鸣鸣蝉的扑翼频率为39±6 Hz;蜻蜓的翼尖轨迹为"8"字形,独角仙为类"8"字形,鸣鸣蝉为椭圆形;发现在下扑和仰旋阶段,翅膀形状近似为伞状,这种伞状效应能有效提高升力。研究昆虫飞行不同拍翅模式下的升力特性对微型飞行器的机动飞行设计有参考意义。     

某飞翼外形雷达散射截面特性的分析

用物理光学理论和物理绕射理论计算了某飞翼外形雷达散射截面（ＲＣＳ）特性，并在微波暗室里对该飞翼模型的ＲＣＳ进行了测量，计算结果和测量结果基本吻合，在此基础上，分析了飞翼外形ＲＣＳ随方位角分布的特点以及其外形隐身设计的特点。     

扑翼飞行器机翼开孔对气动特性的影响研究

论述了扑翼飞行器扑动升力产生的基本原理,提出采用机翼开孔的方式获得扑动升力的方法.通过风洞试验研究了翼面开孔对机翼气动特性的影响,结果表明机翼开孔可以有效获得扑动升力,降低扑动功耗,但会损失一定的推力.采用正交实验方法对风洞实验进行设计,构建机翼气动力关于实验参量的二次响应面方程,并通过响应面方程对开孔机翼的气动特性进行评价.结果表明所设计的开孔机翼最大起飞重量与无孔机翼相当,但其低速飞行能力较好,功率消耗较少,有望实现悬停飞行.     

飞翼无人机机动飞行航迹优化和自生成方法

虚拟机动指令是飞翼无人机机动飞行的基础,是制导回路和控制回路必要的输入。为了生成合理虚拟机动指令,提出了优化基本航路—建立机动数据库—战场信息匹配输出的机动飞行航路生成方法。由于复杂的机动动作可由基本机动动作组合而成,本文以飞翼无人机基本机动飞行动作为优化研究对象,提出了以飞翼无人机控制量变化率为优化参数、航迹片段建立约束条件的无人机机动航路优化方法。其中,机动飞行控制量变化率体现了无人机控制能力的限制;航迹片段约束体现了航迹准确和操作柔和的要求,并对无人机的筋斗、滚桶、盘旋机动进行了优化计算,介绍了机动数据库建立的方法。最后,以机动目标跟踪和有人机追击为设定进行了仿真,结果显示所提方法有效。     

机器人柔性钻孔控制系统的设计与实现

针对飞机柔性装配的需要,在具体分析机翼钻孔流程的基础之上,提出一套基于工业机器人的柔性钻孔控制系统。该系统采用工业机器人集成多功能末端执行器的工作方式,并开发出具有精度补偿、姿态自适应调整和运动控制等功能的软件包。实验证明,该系统能有效提高机翼钻孔的质量和效率,满足其装配需求。     

基于盒式翼的地效飞行器气动布局概念设计

根据地面效应的特点及相似准则，给出了基于展弦比、梢根比和机翼离水相对高度等参数的盒式翼外形简化设计原则。针对地效飞行器高度焦点配置，结合盒式翼外形简化设计原则，给出了盒式翼纵向位置的简化设计方案。针对盒式翼地效飞行器在起飞过程中的升阻特性，给出了发动机类型选择及动力配置的优选方案。针对地效飞行器的飞行特点，阐述了盒式翼地效飞行器机身和尾翼的设计要点。通过以上分析为基于盒式翼的地效飞行器气动布局概念设计提供了设计依据和参考。     

飞翼布局低速支撑干扰及局部外形畸变影响数值模拟

飞翼布局具有气动效率高、隐身性能好的优点，是未来军民用飞机的重要发展方向。该类布局模型风洞试验尾撑、腹撑及背撑等支撑形式的干扰量及由此带来的模型局部外形畸变影响较为复杂，目前还没有通用的支撑方案和试验修正方法。采用CFD数值模拟方法，分别对某小展弦比飞翼布局标模低速尾撑支杆干扰和尾部外形畸变影响进行了研究，结果表明:在常用角度范围内，所使用的数值模拟方法是可靠的，可用于风洞试验支撑方案的评估及支撑干扰的修正；对纵向特性，尾撑支杆干扰量和尾部外形畸变影响量相对全量较小；对横航向特性，尾撑支杆干扰量基本可忽略，尾部外形畸变影响量与全量相当。