微型飞行器的仿生力学 ——蝴蝶飞行的气动力特性

研究一种蝴蝶(Morpho peleides)前飞时的气动力特性.在运动重叠网格上数值求解Navier-Stokes方程,对蝴蝶前飞时左、右翅膀的拍动运动以及跟随身体一起的俯仰运动进行计算.结果表明:蝴蝶主要用"阻力原理"作拍动飞行,即平衡身体重量的举力和克服身体阻力的推力均主要由翅膀的阻力提供.蝴蝶翅在下拍中产生很大的瞬态阻力(平行于拍动运动的力),对流动结构分析表明,产生此力的机制如下:每次下拍中产生了一个由前缘涡, 翅端涡及起动涡构成的强"涡环",其包含一个沿拍动方向的射流,产生此射流的反作用力即翅膀的阻力.平衡身体重量的举力主要由翅膀下拍中产生的阻力提供.上拍时(由于身体上仰,上拍实际是向后和向上拍动的),翅也产生阻力,但较下拍时小的多.平衡身体阻力的推力主要由翅膀上拍中产生的阻力提供.      

蝴蝶悬停飞行流体力学实验模型的仿生设计

由于蝴蝶形态学上的特点(翼面宽大,展弦比小,翼型复杂)以及其特殊的飞行方式(拍动频率低,翅膀几乎垂直于身体拍动;翅膀没有翻转运动,但在翅膀拍动时身体有明显的俯仰运动和振动),蝴蝶成为探索昆虫飞行高升力机理的特殊研究对象.为了深入研究蝴蝶悬停飞行时的流场和高升力机理,设计制作一套模拟蝴蝶悬停飞行的流体力学实验模型显得尤为重要.介绍一种新设计的电控蝴蝶实验模型,该模型与真实的蝴蝶一样,包含左右翅膀和身体,并且可以实现精确定位和模拟蝴蝶不同的运动模式,包括翅膀的拍动、身体的俯仰运动和振动.研究小组应用此实验模型进行流动显示实验和PIV(Particle Image Velocimetry)实验,对蝴蝶的悬停飞行进行研究.      

翅尖轨迹对食蚜蝇悬停时气动特性的影响

食蚜蝇悬停飞行时的抬升角相对较小,在上下拍起始和结束时刻要比拍动中部的大,这样就使得翅尖的拍动轨迹呈现出浅“U”形。为了分析该翅尖轨迹是否会对其气动特性产生影响,利用计算流体力学的方法分别计算了4只食蚜蝇在考虑抬升角和忽略抬升角2种情形下的气动力,分析对比了2种情形下的不同时刻绕翅膀的瞬时流线,并计算比较了2种情形下气动功率系数与平均举力系数的比值。研究结果表明:抬升角的存在会使其维持体重所需的举力增加10%左右;举力增大的同时能耗却比忽略抬升角情形下要低3%左右。      

昆虫翅平面形状和展弦比对其气动性能的影响

应用计算流体力学的方法研究昆虫翅膀平面形状和展弦比对其拍动运动时气动力的影响.选取了10种具有代表性的平面形状和展弦比差别较大的昆虫翅膀作为研究对象.这10种昆虫分别是果蝇、大蚊、蜂蝇、食蚜蝇、瓢虫、熊蜂、蜜蜂、草蜻蛉(前翅)、鹰蛾 和蜻蜓 (前翅).研究结果表明:翅膀面积的二阶矩折合半径越大其气动力越大,当使用翅膀面积的二阶矩折合半径处的速度作为参考速度时,翅膀平面形状对无量纲气动力的影响很小.当翅膀展弦比有较大变化(从2.8增大到5.5)时,气动力系数只有很小的变化.流动的三维效应减弱和部分前缘涡(LEV,Leading-Edge Vortices)的脱落,这两种效果相互抵消,导致气动力系数变化不大.      

昆虫飞行的高升力机理和能耗

昆虫的飞行机理可能为微型飞行器所借鉴,因而近来人们对其十分关注.在过去10年中,该领域的工作有了较大的进展.回顾了这10年中该领域的研究工作:首先,简述昆虫翅的拍动运动;其次,探讨拍动翅的非定常高升力机制;然后,讨论昆虫悬停和前飞时的能耗问题;最后,介绍最近关于具有两对翅膀的昆虫——蜻蜓飞行的研究结果.      

农林飞机近地作业飞行的纵向稳定特性

分析了农林飞机近地作业飞行的纵向气动力特性,讨论了存在地面效应时的纵向静稳定性准则及主要气动导数对静稳定性的影响;根据地效区内飞机的五阶小扰动运动线化方程,计算了农林飞机近地作业飞行的模态特性,并运用特征矢量研究了各模态中起主要作用的运动变量;利用Routh判据对农林飞机近地作业飞行的纵向动稳定性进行了分析,通过简化推导了存在地面效应时保证飞机动稳定性其重心的位置要求.研究结果表明,农林飞机近地作业飞行时地面效应对其纵向气动特性及稳定性的影响不可忽略.      

基于虚拟飞行的混合翼身融合布局操稳特性

针对混合翼身融合布局面临的三轴运动耦合和大迎角失稳等潜在操稳问题，研制三自由度虚拟飞行试验系统，基于动力学相似模型开展纵向和横航向开环虚拟飞行试验，对飞机的本体操稳特性进行研究。结果表明：该混合翼身融合布局飞机纵向和航向开环操纵均存在三轴运动耦合现象。纵向操纵会引起大迎角极限环失稳现象，迎角振荡平衡位置约为28°、振荡幅值约为2.56°、振荡主频率为0.55 Hz，振荡过程中气动力呈现非定常特性；V型尾翼偏航操纵响应呈现横向运动幅值最大、偏航运动次之、俯仰运动最小的特点。     

灭火飞机投水动响应特性

大型灭火飞机投水飞行时,短时间内大吨位水量的投放会引起载机的动力响应问题.为此,采用小孔出流理论进行飞机投水量的数值模拟,以静气动弹性配平结果为初始条件,考虑飞机的刚体模态和弹性模态,用最小状态拟合技术进行非定常气动力建模,分析了飞机投水飞行时的响应特性;并以投水结束后的飞行状态为初始条件,以飞行操纵产生的舵偏角为输入,分析了飞机退场爬升时的响应特性.结果显示,灭火飞机投水时,飞行姿态和载荷会发生较小变化;退场爬升时,飞行姿态和载荷会发生显著变化.分析结果为大型灭火飞机的结构设计和飞行操纵提供了参考.     

民机起飞爬升梯度适航符合性数学仿真评估

民机起飞过程中沿起飞航迹各点的爬升梯度反映了飞机超越地面障碍达到安全飞行高度的能力。针对适航条款对于起飞程序和爬升性能的要求,提出了一种基于人机闭环数学仿真计算的单发停车起飞爬升梯度适航符合性评估方法。建立了飞机本体动力学模型、起落架运动模型和驾驶员操纵模型,提出了适航符合性评估指标,并设计了飞机单发停车起飞的仿真任务和驾驶员操纵程序。通过闭环数字飞行仿真完成了不同验证状态点的爬升梯度评估。该方法可应用于民机的概念方案设计,计算结果可为飞机起飞重量的确定与单发失效爬升性能的试飞验证等提供理论参考。      

单旋翼直升机气动布局对飞行性能的影响

为研究单旋翼直升机气动布局对直升机飞行性能的影响,以直升机飞行动力学模型为基础,在原始气动布局下分别对平飞、爬升与下滑和稳定协调转弯情况下的旋翼需用功率进行了配平,并计算了飞行性能指标,计算结果与参考数据吻合较好,证明模型可用.以UH-60A直升机为例,研究了不同气动布局参数下的直升机飞行性能,结果表明, 在变化范围内,旋翼位置参数对前飞和垂直飞行性能影响都很大,减小旋翼纵向距离有利于提高飞行性能,尾桨倾斜角在悬停和小速度情况下对飞行性能影响较大,平尾水平位置的后移有助于提升最大飞行速度.      

蜻蜓爬升过程间歇性拍动飞行现象的数值研究

采用数值模拟方法研究了蜻蜓双翼做间歇性拍动运动时的气动特征。计算结果表明,在所研究的雷诺数工况下(Re=157),模型翼的平均升力系数和平均推力系数随着间歇占比的增大而减小,前段下降较快,中段下降平缓,后段下降至零。其中平均推力系数受到的影响相对平均升力系数更大,当连续飞行转变为间歇性飞行时,短暂滑翔初期和短暂滑翔稳定阶段均大幅削弱推力系数,共占42.7%;而对于升力系数,短暂滑翔稳定期对升力系数的削弱作用很大,占41.4%,但短暂滑翔初期却对平均升力系数的提高贡献8%。间歇拍动飞行能够提高蜻蜓飞行的升推比,当滑翔时长占间歇飞行周期之比为0.3时,平均升推比接近为1。     

一种单旋翼复合式直升机性能特性

为研究复合式直升机性能变化特性,构建了复合式直升机各气动部件数学模型组成的性能计算模型。以该计算模型为基础,通过不同的飞行条件约束,建立了复合式直升机的过渡飞行边界,研究了复合式直升机在边界内通过不同飞行路线从悬停模式到高速模式的飞行功率变化特点,分析了旋翼转速、前飞速度以及旋翼和机翼升力分配关系等参数对高速性能的影响。研究结果表明,复合式直升机从悬停模式过渡到高速模式通过旋翼卸载给机翼可降低飞行功率,且通过减小旋翼转速卸载比来减小旋翼总距卸载更为有效。但在过渡到高速模式时复合式直升机的旋翼转速也不能过低,过低的旋翼转速可能会增加飞行需用功率,同时也会对模型的配平产生影响,并且造成配平计算过程的迭代不收敛。      

面向扑翼翼面运动参数的优化设计

扑翼机的飞行依赖于扑翼翼面的运动,经过优化的运动策略能够使特定翼面发挥最佳的气动性能。然而目前扑翼机设计中缺乏有效的运动参数优化方法,无法针对给定机翼确定一组最优运动参数。采用非定常涡格法（UVLM）计算扑翼气动力,与现有的实验数据进行对比,验证了气动力计算方法的准确性。基于DIRECT（矩形分割）全局优化算法,以最大化推进效率为特定优化目标,对扑翼运动参数进行了迭代优化。结果表明,通过该优化算法能够得到最优扑翼运动参数,有效提高特定气动性能;应用优化算法计算得到的平均推力与基准运动的平均推力相比,在数值上有1.04倍的提高。在设计过程中,降低气动力约束有利于扑翼运动优化,使给定扑翼翼面具有更大的推进效率,无气动力约束的最大推进效率与基准运动的推进效率相比提高了46.8%。      

仿生扑翼机构的设计与运动学分析

仿生扑翼机构的设计以实现昆虫的扑翼形式为目标,通过仿生学与工程实际相结合,将昆虫复杂的扑翼运动分解为平扇与翻转两个基本动作,同时这两个自由度必须协调运动.仿生扑翼机构主要包括并联的两组曲柄摇杆机构与差动轮系两个部分,由直流伺服电机作为驱动,将曲柄的连续旋转输入转换为翅膀的平扇与翻转两自由度复合运动输出.通过建立运动模型对仿生扑翼机构进行运动学分析,得到扑翼的扇翅角及翅攻角与时间的关系曲线,然后选择合理的扑翼机构几何参数及齿轮副的传动比构筑扑翼机构样机,实现了预期的扑翼形式.      

倾转旋翼机巡航状态旋翼滑流影响

倾转旋翼机由于需要兼顾垂直起降和高速平飞2种典型工况下的动力需求，采用大直径旋翼作为推进装置会使机翼大部分处于旋翼滑流区内，这与常规螺旋桨飞机存在较大差异。为评估不同数值计算方法并研究旋翼滑流对倾转旋翼机气动特性的影响，针对选取两叶旋翼的某倾转旋翼机方案，利用激励盘模型、多参考系（MRF）模型、滑移网格模型分别进行了巡航状态下旋翼滑流对全机气动特性影响的数值模拟研究。结果表明:相对于无滑流状态，滑流定常影响使全机阻力增大，最大升阻比降低了7.5%，尾翼产生的升力增大，纵向静稳定度增加了17.1%，全机低头力矩增大；当迎角较小时，滑流虽然改变了机翼表面的升力分布，但是全机升力变化不大；滑流非定常影响会使全机气动特性产生周期性波动，升力系数波动幅度为9.0%，阻力系数波动幅度为10.8%，并且随着迎角的增大，波动幅度也越大。      

脉冲射流对环量控制翼型气动性能的影响

定常射流在大迎角下气动性能较差,借助脉冲射流能够有效改善大迎角下的气动性能,并减少射流所需质量流量。采用非定常数值模拟的方法进行了脉冲射流作用下的环量控制翼型气动特性计算和流场分析。总结了占空比和频率分别对时均升力和升力脉动幅值的影响趋势;分析了不同迎角下的脉冲射流流动机理;进一步指出了射流动量系数的影响规律,并借助脉冲射流和定常射流的叠加效应有效缓解了升力脉动现象。结果表明:低占空比、同等升力系数下,脉冲射流可大幅度减小质量流量,但升力脉动幅值较大;小迎角下随频率增大,升力系数先增大后减小,但整体变化幅度不大,大迎角下随频率增大,升力系数持续性增大;脉冲射流能够推迟失速迎角,扩宽环量控制技术的可用迎角,并且随动量系数增大,这种优势更加明显;借助脉冲射流与定常射流的叠加效应,能够有效缓解脉冲射流作用下的升力脉动现象,达到飞行使用条件。      

阻力和升力加速度指令快速解析与跟踪制导

针对升力式飞行器的滑翔段制导问题,提出一种阻力和升力加速度指令在线快速解析与跟踪制导方法。通过一维质点运动学解析并加权直接得到阻力加速度指令。引入虚拟目标和伪视线角的概念,将比例导引应用于滑翔段得到升力加速度指令。利用阻力加速度和攻角的单调性关系, 通过改变攻角跟踪阻力加速度指令。倾侧角用于辅助跟踪阻力加速度指令,满足给定条件后切换至跟踪升力加速度指令。航迹方向角的控制通过倾侧角按反转走廊边界改变正负号实现。动压、热流、过载等约束可通过相关敏感参数的设计得到满足。所提方法不依赖参考轨迹和攻角剖面,计算量小,可实现对终端速度和终端高度的高精度控制。