柔性扑翼微型飞行器的气动特性研究

摘要

与传统的固定翼微型飞行器相比，扑翼微型飞行器的主要特点是能同时产生升力和推力，同时还具有高效率、高机动性、低噪音、无须专用起飞着陆场地等特点。大自然中，所有能飞的生物几乎无一例外地都采用扑翼飞行方式。因此，人类研制扑翼微型飞行器有着重要的航空科学意义和广泛的应用前景，如环境监测、战场侦察、战场攻击、通讯中继、火星探测等，各国对这一领域的发展潜力均十分关注。
　　 在生物界，扑翼的运动极其复杂，尽管已有少量的探索，其柔性对气动力的影响目前尚不十分清楚。本文研究的对象是一种具有柔性膜的扑翼微型飞行器，主要研究内容包括：
　　 1.从鸟翼和昆虫翼的构造出发，分析了它们的飞行机理，为扑翼飞行器的设计提供理论和仿生学依据。
　　 2.在向量分析的基础上，基于空间非定常涡格法，提出了扑翼飞行器升力和推力的计算公式。与实验结果的对照表明，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。
　　 3.考虑了空间涡格法中扑翼的瞬时形状速度η/t 对气动力的影响。由于结构的柔性使扑翼在扑动过程中存在变形，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，表明扑翼的结构参数也影响着气动性能。
　　 4.比较了导致变形产生的膜扑翼飞行器的惯性力和气动力在一个周期中的变化情况，发现它们峰值的比值为2 左右。提出了在随体坐标系中的固支边界条件，然后采用有限元法计算了惯性力和气动力分别对变形的影响，发现扑翼飞行器的气动力对变形的影响是不可忽略的重要因素，而惯性力与气动力的合力引起的最大正变形发生在下扑初始阶段，最大负变形发生在上扑初始阶段。该研究为扑翼飞行器的设计提供了力学分析基础。
　　 5.计算了柔性膜扑翼飞行器的升力和推力，该计算结果与实验结果的对照表明两者相符。研究发现与刚性扑翼相比，膜扑翼的柔性对升力的影响不大，但是大大地增大了推力的正峰值，使得推力有较大的增加，从而改善了扑翼飞行器的气动性能。
　　 本文所做的研究对扑翼飞行器的设计有一定的指导作用。