仿蜻蜓扑动机构改进及气动力/力矩测量

为进一步提高扑翼微型飞行器的机动性能,对前期提出的可移动铰链曲柄滑块扑动机构进行了改进和小型化。该机构运动学表明:移动铰链后两侧翅膀扑动幅值差值从之前的21.3°增大到51.2°,同时平均扑动幅值降到0°。研制了可快速模块化组装的碳纤维板仿蜻蜓扑翼样机。样机测量和试飞实验表明,通过调节扑动频率可以明显改变样机的升力和推力,有效实现飞行器的快速爬升机动飞行。在较大扑动频率移动铰链可以产生足够的偏航力矩和滚转力矩用于转弯等机动飞行。      

仿昆扑翼飞行器的翅膀惯性力分析

用理论模化和仿真试验相结合的方法,研究了昆虫翅膀扑动产生的惯性力和惯性力矩.在昆虫扑翼飞行运动的仿生模拟基础上,研究了翅膀扑动过程中拍动幅度、拍动加(减)速周期、平动迎角和翻转加(减)速周期4个振翅运动参数对翅膀惯性力(矩)的影响.研究表明:微小尺度昆虫高频扑翅产生的惯性力幅值与气动力的幅值大致相当;昆虫翅膀的弦向转动惯量比展向转动惯量近似高一个数量级;翅膀拍动惯性力矩的影响远远高于翅膀转动惯性力矩的影响,而转动惯性力矩是可以忽略不计的;只要翅膀的拍动是对称的,就可认为翅膀的扑动是近似对称的;如果翅膀拍动对称的同时转动对称,就可认为翅膀的扑动是严格对称的,此时翅膀惯性力可以忽略.      

翼间干涉效应对蜻蜓悬停气动性能的影响

蜻蜓在悬停飞行过程中,通过控制翅膀的运动规律,进行前后翅相位差为180°的扑翼运动。为了分析两对翅膀之间的干涉效应对悬停气动性能的影响,利用计算流体力学手段对蜻蜓悬停状态的串列扑翼和单对翅扑翼进行模拟。通过对两种模式下的流场进行分析,并计算对比了悬停效率、气动力及气动功率的数据,发现了悬停状态下翼间干涉的气动效应：尾迹集中效应和来流偏折效应。尾迹集中效应可以减少翅膀附近的涡耗散和尾迹耗散,提高悬停效率;来流偏折效应可以通过减小后翅在下拍过程中的来流攻角,从而降低前缘涡的尺寸和强度,降低悬停功率。数值结果表明：在运动规律相同的情况下,与单独拍动的前翅和后翅进行的悬停相比,串列双翅悬停的效率分别提高了18.6%和25.5%,功率分别降低了4.8%和14.0%。     

可垂直起降扑翼飞行器设计与试验

正在昆虫扑翼飞行机理研究的基础上,设计了一种可垂直起降扑翼飞行器总体方案。提出了一种利用沿扑动角平分线方向拉力进行偏航操纵的方法,提出了一种限攻角高刚度机翼。本设计已经能够实现携带全部电子设备垂直起飞。1气动机理与总体方案1.1总体布局自然界中的微小型飞行生物均采用扑翼飞行,具有较好的机动性,这也给微小型飞行器的研究提供了方向和借鉴[1]。与微型固定翼和微型旋翼飞行器相比,微型扑翼飞     

一种仿生扑翼飞行器的设计及动力学分析

为了提高仿生扑翼飞行器设计水平,弄清仿生扑翼飞行器的动力学特性、改善其飞行性能,设计了一种折展翼仿鸟扑动飞行样机,并对其动力学特性进行了分析。通过仿生方式设计了基于曲柄连杆的折展扑动机构,建立了扑翼机构的运动学模型,得到了相关运动学参数,并采用拉格朗日方法,推导出扑翼扑动时的动力学模型。基于条带方法对该扑翼的气动力、气动力矩载荷进行估算,分析了折展扑翼非对称扑动时翼翅气动力矩变化规律,结果表明:与一般直扑翼相比,折展翼在上扑阶段受到更小的阻力,因而扑翼扑动过程中能够获得更大的升力。基于ADAMS软件包,对扑动机构关键铰接位置的力学特性进行分析,为优化扑动机构、提高其结构强度提供重要参考。      

扑翼微型飞行器飞行姿态模型研究

扑翼微型飞行器飞行质量主要取决于能否对其飞行姿态进行有效控制, 而建立准确的飞行姿态模型尤为重要.通过对鸟和昆虫的飞行机理尤其是其飞行过程中翅膀的运动规律进行研究, 并考虑机械设计方面的因素, 对扑翼微型飞行器的飞行姿态建立了较为完整的动力学模型和数学模型.由分析可知机身所受外力为空气动力、重力和机翼作用于机身的驱动力, 而采用扑动与扭转两个自由度飞行的机翼所产生的驱动力是由瞬时平移力和扭转循环力合成的瞬时空气动力.数值仿真证实了动力学模型的正确性.      

多段柔性变体扑翼飞行器设计

多段柔性变体扑翼模仿海鸥翅膀的复杂运动.观察海鸥翅膀的运动周期,设计了包含慢频率扑动、展向折弯、弦向扭转和结构柔性变形的扑翼模型,并应用准定常方法计算气动力,为该扑翼飞行器设计提供依据.在CATIA和3DMAX中设计多段柔性变体扑翼机的三维模型和运动模拟,制作样机进行飞行试验,研究其平飞、爬升、偏航等飞行姿态,结果表明升力和推力与数值计算结果吻合.相较于原有扑翼飞行器,多段柔性变体扑翼飞行器可以慢频率扑动飞行,调整扑翼形状.      

一种微型仿昆扑翼飞行器扑翼操控机制

提出了一种扑翼操控机制,用于解决微型仿昆扑翼飞行器悬停飞行的飞行动力问题。通过对扑翼运动参数对气动力及空气动力矩的作用进行理论和仿真分析,设计了一种采用可变幅值的周期函数调节扑翼运动的扑打角和旋转角变化的方法,实现对气动力和气动力矩进行独立控制的操控机制。仿真结果验证了此操控机制可以较好地解决仅一对翼的仿昆扑翼飞行器飞行动力问题。     

基于蜻蜓翅几何及刚度相似性的仿生扑翼结构

目前对于扑翼和扑旋翼飞行器的研究主要致力于实现仿生拍动模式的机构设计和气动特性分析，对昆虫翅的研究主要在微观尺度的生物学构成以及材料和力学特性。采用主成分分析法可建立昆虫翅展向抗弯刚度与几何形态参数之间的关系。以仿蜻蜓翅的扑翼设计为例，根据蜻蜓翅脉的分布可设计具有几何相似性的扑翼模型，进而基于蜻蜓翅的展向抗弯刚度实验结果建立仿蜻蜓翅扑翼设计的刚度相似性准则，以刚度相似性为约束对扑翼进行结构优化，分别制作了仅具有蜻蜓翅刚度相似性的矩形扑翼（JX-翼）、仅具有蜻蜓翅几何相似性的扑翼（JH-翼）、基于蜻蜓翅几何相似性和刚度相似性的仿生扑翼（GD-翼），并采用扑旋翼模型分别对这3种扑翼在5～15 Hz的拍动频率范围内进行了升力测试实验。结果表明，基于几何相似性及刚度相似性设计的GD-翼在12.5 Hz拍动频率时产生的升力比仅基于刚度相似性的矩形JX-翼提高25%，在低于6.5 Hz时与仅基于几何相似性设计的JH-翼相近，但在高于8 Hz时比JH-翼的升力大2倍以上。基于蜻蜓翅的几何相似性和刚度相似性的扑翼结构设计方法为提高仿生扑翼和扑旋翼的气动升力和效率提供了新的路径。     

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。     

仿鸟型扑翼飞行器气动/结构/飞行力学耦合研究进展

仿鸟型扑翼飞行器在飞行机动性和飞行效率上有巨大发展潜力,是一种具有较高研究价值和应用前景的微型飞行器。由于仿鸟型扑翼飞行器的柔性扑动翼在扑动过程中会产生较大结构变形,同时扑动翼的扑动运动与机体的刚体运动会产生高度耦合,因此需要从气动、结构与飞行力学多学科耦合的角度对该类飞行器的气动特性和飞行稳定性进行分析。针对该类飞行器的气动机理、气动/结构耦合研究、飞行稳定性分析方法以及扑动翼的柔性对飞行稳定性的影响等方面进行了国内外现状的分析和总结。目前仿鸟型扑翼飞行器的发展还面临着诸多难题,尤其在非定常气动机理、气动/结构耦合的尺度律以及气动/结构/飞行力学的耦合方法等方面亟需进一步的突破和发展。     

可弯折翼尖在飞翼布局中操纵性能研究

采用经过验证的CFD计算方法,对可弯折翼尖在飞翼布局中的操纵性能进行研究。结果表明,可弯折翼尖是通过侧向力实现横航向操纵的,且进行横航向操纵时对升力、阻力和升阻比的影响都较小。在可弯折翼尖单侧作动时,偏航力矩、侧向力、滚转力矩三者之间存在强烈耦合;在可弯折翼尖两侧反向同步作动时,滚转力矩发生相互抵消,仅侧向力和偏航力矩二者之间存在较强的耦合。可弯折翼尖单侧作动和两侧反向同步作动可形成两种不同的横航向操纵机制。     

竹象虫后翅结构力学和空气动力学特性

为研究长足大象甲后翅结构特性和飞行过程的空气动力学特性,建立长足大象甲后翅翅脉特征曲线的数学模型,利用有限元软件对其进行均匀载荷、垂直载荷和扭转载荷3种不同载荷下的静态分析和模态分析。基于嵌套网格法在Fluent软件中模拟后翅上下扑动,分析不同扑动幅值、扭转角度和扑动频率下的后翅升力系数和阻力系数变化规律。结果表明：长足大象甲后翅翅脉分布具有良好的结构刚度和承载能力,在受到不同载荷时,位移和应力的变化较小,结构稳定性较强,并且后翅振动频率为90.312 Hz,与同类昆虫相比,更符合微型扑翼飞行翼研发要求。此外,模拟试验表明长足大象甲后翅可以通过改变扑动幅值、扭转角度和扑动频率来提高升力和推力以实现特技飞行。     

主动变形扑翼飞行器的设计和风洞测力试验研究

主动变形扑翼可以模仿鸟翼飞行时的复杂运动。为了了解主动变形扑翼飞行器的气动特性,在研究鸟类骨骼结构和翅膀及尾翼运动规律的基础上,设计并制造了一种基于机器人技术的主动变形扑翼飞行器;给出了主动变形扑翼飞行器的机构运动规律函数,并设计出机构运动控制系统;在低速风洞中对此飞行器进行了一系列测力试验,研究了主动变形扑翼的升力、推力特性,以及风速、扑动频率、扑动幅度、伸展相位等参数对升力和推力的影响,并与常规扑翼进行了对比分析。试验结果表明,较之常规扑翼,主动变形扑翼可以显著增加升力和增强对不同飞行状态的适应能力。     

非零侧滑角大迎角细长体侧向力控制规律实验研究

通过风洞实验方法研究了非零侧滑角状态下,大迎角细长体模型的侧向力和偏航力矩变化规律。并且应用主动流动控制技术,对非零侧滑角模型的侧向力和偏航力矩加以控制,研究其有效控制的侧滑角范围和控制规律。研究结果表明:在迎角α=55°、侧滑角β=-24°~+24°范围内,改变细长体模型头部微扰动摆振片的平衡周向角位置(有效周向角位置在±16°之间变化),模型侧向力和偏航力矩呈线性变化规律。此项力和力矩线性控制技术为飞行器在大迎角高机动飞行发生侧滑时,实现恢复及保持安全姿态飞行,提供一种有效飞行控制新方法。     

考虑螺旋桨滑流影响的垂尾飞行载荷设计

依据CCAR-25部偏航机动的设计准则,研究了螺旋桨滑流对垂尾载荷设计的影响.以T型尾翼布局、桨叶右旋的某支线客机为例,分析了螺旋桨滑流对飞机气动特性的影响:拉力系数越大,则滑流对飞机侧向力系数和偏航力矩系数的影响越大;在负侧滑时,滑流对飞机气动特性数据的影响显著;正侧滑时,滑流对飞机气动特性的影响较小.基于飞行力学六自由度非线性微分方程,开展了有/无滑流影响情况下偏航机动仿真和垂尾载荷设计.结果表明:螺旋桨滑流使得飞机的响应幅值增大,算例飞机的垂尾侧向力、弯矩和扭矩限制载荷分别增大5.21％、8.21％和4.85％.     

基于空间RURS机构的三维仿生扑翼机构设计与分析

为实现仿昆虫翼尖的空间“8”字型运动轨迹,设计了一种基于空间revolute-universal-revolute-spherical(RURS)四杆机构的扑翼机构,通过单自由度驱动即可输出三维的空间“8”字轨迹。运用Denavit-Hartenberg参数法建立了空间四杆机构的运动学模型,利用遗传算法对机构进行了优化,得到了利于扑翼飞行的机构参数。基于该空间四杆机构的优化结果,建立了一种微型的扑翼机构虚拟样机,通过ADAMS仿真得到其输出运动并验证了运动学理论计算的正确性。所设计的扑翼机构扑动幅度达到149.8°,扭转角度达到29.9°,且“8”字型扑动规律与昆虫翅膀的运动更为相近。扑翼机构的最大尺寸不超过5.8cm,仿真发现的时间非对称扑动对气动性能有一定提升,对于微型化、轻质化、高效化扑翼飞行器的研究具有重要的参考价值。      

扑翼非定常运动对平尾影响及俯仰力矩特性研究

为了研究微型扑翼飞行器尾流对其平尾设计、飞行器稳定性以及飞行控制的影响,选取微型扑翼飞行器ASN-211为原模型,采用将其简化为二维的前后串列翼模型进行具体计算和分析。首先以Fluent动网格技术为背景,在用户自定义函数控制扑翼的非定常运动条件下进行不可压、非定常二维流动的计算,并研究在扑翼非定常运动条件下的模型的俯仰力矩特性。然后通过计算不同来流攻角、扑翼扑动频率、扑翼与平尾间距以及不同力矩中心下扑翼、平尾及总的力矩系数,讨论各个参数对力矩特性的影响。最后得出不同的扑翼扑动频率以及扑翼与平尾间距将会对平尾与扑翼的俯仰力矩间的相位差产生影响,所得结论为扑翼飞机的重心布置设计提供参考。     

扑翼飞行高升力机制仿真及对比分析

扑翼飞行生物因其高效的飞行方式和灵活的机动性能,受到越来越多学者的关注和研究。针对扑翼飞行生物如何利用非定常空气力学,通过拍动翅膀实现高升力达到与自身重力平衡的问题,系统分析了扑翼飞行生物高升力机制,对每种高升力机制在扑翼飞行器样机上的应用进行了总结,并建立了高升力机制翼面拍动的运动学模型,对比分析了三种高升力机制的特点和差异。仿真分析得出每种运动学模型翼面拍动轨迹,可为扑翼飞行器翼面驱动机构的设计提供参考。     

扑翼飞行器动力系统建模方法

为快速评估扑翼飞行器的航时,便于针对不同扑动翼进行动力系统设计与优化,逐步减少实物验证与试飞,加快扑翼飞行器的研制,基于实验数据参数辨识的方法建立了包含直流无刷电机、电调（ESC）、锂电池和扑动机构等扑翼飞行器动力系统组件的动态模型,其中电机模型相对误差小于10%,锂电池动态模型相对误差小于6%;提出了一种基于风洞试验气动数据和功率数据的扑动轴瞬时气动载荷半经验高精度建模方法,解决了气动载荷测量较为困难的问题,模型确定系数大于0.89;集成以上模型后的扑翼飞行器仿真系统还包含扑动翼周期平均气动模型、平尾气动模型和纵向控制模型,确保仿真在动态配平状态下进行,可进行全任务剖面航时仿真,航时仿真与实际试飞结果相比误差小于3%。集成的扑翼飞行器仿真系统采用模块化建模思想,各模型参数独立可调,能进一步应用于扑翼飞行器多学科优化等研究。