微型飞行器相关技术研究进展

微型飞行器是航空领域一个新的研究热点，涉及多个技术研究领域。围绕与微型飞行器相关的低雷诺数空气动力学问题，进行了绕圆柱体低雷诺数非定常流动的数值模拟方法研究、低雷诺数机翼粘性非定常流动机理研究、扑翼的气动力估算方法研究、微流动控制的数值模拟研究和微型飞机的气动实验研究，指出了微型飞行器面临的问题，并展望了其发展趋势。     

二维平板翼悬停拍翼运动中俯仰旋转速度对流场特性的影响

大多数昆虫的拍翼运动由平动挥拍与俯仰旋转动组合而成。本文采用二维平板翼模型对悬停拍翼运动过程进行了模拟,翼型平动及转动速度满足简谐运动规律,并且上挥下拍过程对称。在保持挥拍中期攻角40度不变的情况下,改变俯仰速度或转动时间,采用DPIV(粒子速度成像仪)系统观测拍翼运动的流场涡结构,用测力天平测量模型翼升阻力的变化规律。实验结果表明,在转动阶段翼型升阻力的峰值随着转速的增大而增大,但整个拍翼周期内的平均升阻力变化不大;转速小时翼型升力的产生以攻角上仰升力机制为主,转速大时升力的产生以射流升力机制为主。     

基于高阶谱差分的扑翼面运动学数值优化(英文)

基于高阶谱差分(SD)格式的高成本效益的优化方法被用以优化扑翼面的运动学,从而达到最大推进效率。具体来说,基于梯度的优化算法与高阶谱差分的纳维-斯托克斯流动求解器被耦合用以研究一系列NACA对称翼型的最优运动学。在此研究中,翼型做沉标和俯仰运动。数值优化在粗网格上进行。得到最优解后,在密网格上用高阶SD求解器捕获处于最优运动学状态下扑翼面的详细涡结构。提出的数值优化框架被用以研究翼型厚度,雷诺数和俯仰中心位置对最佳巡航飞行的影响。通过研究相关流场,气动力以及等效攻角(AOA)的变化,我们解释了与最佳扑翼面运动相关的流动物理特性。     

基于沉浸边界法的二维拍动翼数值模拟

运用沉浸边界法对二维拍动翼流场进行了数值模拟,系统地分析了最大俯仰角、拍动频率和升沉俯仰运动的相位差等参数对拍动翼流场的影响.结果显示:当达到一定条件时,尾流出现反卡门涡街,使机翼得到正的推力而产生逆流前行的趋势.在本文的研究范围内发现,拍动翼的平均推力系数随最大俯仰角的增大先增大后减小,随着频率的增大而增大,同时,拍动翼的推进效率随最大俯仰角的增大而增大,随拍动频率的增大而减小,且当升沉俯仰运动的相位差在90°～100°之间时,存在着最大推进效率.本文所得结果为进一步研究鸟类飞行和鱼游等仿生力学提供了理论基础.     

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。      

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。     

针对在轨维护的爬行机器人足粘附机理研究

针对空间合作目标航天器在轨维护任务需求,提出一种新型结构的空间爬行机器人,可搭载于抓取机械臂上,在主动航天器和故障目标形成连接后,爬行移动到故障目标上需要维修的位置进行维修精细操作。该机器人移动系统主要由压电驱动腿、微修饰粘附足组成。其微观粘附足借鉴壁虎刚毛的粘附机理,设计微米级微阵列的机器人足端结构。在上述结构设计基础上,利用离散元软件建立其仿真模型,对壁虎的强吸附能力和快速脱附能力进行理论建模分析,建立单根刚毛在不同状态下的受力模型,模拟刚毛在不同脱附角下的粘附和脱附的过程,对其单个刚毛的粘附特性进行分析。仿真结果表明:在空间零重力环境下,通过不同运动方式可以实现单个刚毛的吸附和快速脱附的能力。为后续实现机器人足的吸附和快速脱附的能力提供了理论支持。     

形态仿生飞行器研制进展及关键技术

从大自然中生物的形态汲取灵感,对优秀的气动外形加以模仿和借鉴,从而获得更好的飞行性能,是形态仿生飞行器设计的基本思路。本文介绍了形态仿生飞行器的研制背景,分析了形态仿生“自上而下”和“自下而上”两种研究过程;按照仿鸟飞行器、仿鱼飞行器和其他仿生飞行器的类别分别介绍了形态仿生飞行器当前发展现状;探究了外形特征的提取方法,参照生物优良特性解决飞行器设计过程中的问题,仿生飞行器气动参数的辨识等关键技术,并对形态仿生飞行器的未来发展趋势进行了归纳总结。本文研究的内容对于形态仿生飞行器的设计具有一定的参考意义。     

蟑螂机器人崎岖路面行走算法设计与实现

针对直接串联式结构承载能力较弱的问题,设计了一种基于双四连杆构型的仿生蟑螂机器人,该构型运动灵活,承载能力强且可以实现解耦控制.建立了该构型的数学模型,进行运动学分析,求解出机器人的正解以及逆解.采用压力感应电阻(FSR,Force Sensing Resistor)以及光电开关联合检测蟑螂机器人行走在崎岖路面时足端是否落地的信息,而且提出一种新的足端轨迹规划实现蟑螂机器人在崎岖路面的快速行走,综合之前的运动学计算,设计了可用来控制蟑螂机器人在崎岖路面行走的算法,实验验证该算法可以控制机器人在崎岖路面以10 cm/s的速度行走.      

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%。