扑翼/扑旋翼非定常气动力计算与设计研究

摘要

相比于传统飞行器，扑翼具有很多气动方面的优势，尤其是在大攻角下可以维持高升力的特性。这是因为扑翼具有一些非定常流场所特有的机理和效应。主要包括Wagner效应、Clap和Fling效应、前后缘涡延时脱落效应和Kramer效应。为了准确而快速的模拟上述现象对流场和气动力的影响，有必要基于势流理论推导非定常气动力方法（UAM）。利用这种方法，可以方便的分析扑翼/扑旋翼的气动特性，理解其各种拍动模式对气动力结果的影响。在此基础上，结合ADAMS软件和UAM程序，分析一款仿海鸥的扑翼飞行器在短距降落过程中高频的机翼扑动对扑翼降落减速的有利效果，为实现短距起降提供一种新思路。　　扑旋翼的想法源于扑翼和旋翼机的结合，扑旋翼既拥有扑翼机的延迟失速的特性，也像旋翼机一样具有较高的效率。超声电机具有力矩大，质量轻和无惯性的特点，基于上述优点，本文提出了超声电机驱动的可变速扑旋翼模型。当对超声电机输入不同电压值时，超声电机会以不同的转速进行旋转。因此，本文采用由光电传感器和控制电路板组成的控制系统来实现扑旋翼在上拍和下拍阶段不同拍动频率的快速切换。之后，结合计算流体力学（CFD）滑移网格计算分析和实验气动力测量分析，测量并分析变速拍动对扑旋翼升力的影响。最后，基于本文搭建的扑旋翼测力平台和一款电磁电机驱动的扑旋翼，评估了弓型机翼对扑旋翼气动特性的影响。　　本文的具体内容如下：　　（1）概括了扑翼/扑旋翼的研究进展并对存在的一些关键性技术问题进行了总结；之后，分别从扑翼/扑旋翼非定常气动力计算、降落飞行力学和扑旋翼结构设计这三个角度综述了扑翼/扑旋翼的研究现状。最后，阐述了本课题研究的必要性和意义。　　（2）基于Ansari的方法，推导带弯度以及其导数影响项的非定常气动力公式，提出一种新型的避免涡穿透物面的适用于薄翼型的二维非定常气动力模型（UAM），并沿展向积分将上述气动力计算方法推广至三维，形成三维非定常气动力模型。将该模型与前人的二维和三维的实验结果和CFD结果对比，验证其可靠性。　　（3）通过上述三维UAM模型和ADAMS软件的弱耦合联合仿真，针对一款仿海鸥扑翼原型机，进行其降落过程的数值分析。首先，通过仿海鸥扑翼原型机的尺寸，得到该扑翼原型机的拍动模式。之后，设定不同拍动频率、尾翼偏转角和起拍时间组合，研究不同上述组合下拍动对着陆速度的影响并在这些组合中选择能满足降落要求的最优组合（即起拍时刻40.5s，尾翼偏转角-10°，拍动频率3Hz时降落前飞速度和下沉速度分别减小至0m/s和2.09m/s）。之后，将该原型机分别按单一长度方向比例缩放0.5，1，5，10倍，研究并找出不同缩放比例下下沉速度减少50%所需的最小拍动频率与缩放比例之间的关系。最终发现，当扑翼机实现降落减速50%时，降落所需要的最小拍动频率能使无量纲升重比接近0.51。　　（4）结合当前研究的热点——“超声电机”，制作一款新型的扑旋翼机模型。通过利用超声电机的惯性小、力矩大的特性，调节扑旋翼在上下拍过程中的拍动频率，从而实现扑旋翼的变速拍动模式。同时，组合应力元、信号放大器、信号采集卡等元器件搭建测量电路对其气动力进行测量；建立非定常CFD滑移网格模型，并将计算结果与前人自编计算流体力学程序结果进行对比，验证该方法的可靠性；之后，利用该非定常CFD模型，分别计算变速拍动模式和匀速拍动模式下扑旋翼周围的压强分布和涡强分布，以理解扑旋翼在变速和匀速拍动下流场的区别，辅助扑旋翼实物模型的设计与改型。最终，通过超声电机功率曲线和无量纲升力效率曲线发现，更大的输出功率对应于更大的气动力；相同功率下，变速拍动时扑旋翼产生的气动力比匀速拍动时产生的气动力大；不论是变速拍动还是匀速拍动，安装角为产生最大升力得最优安装角；变速拍动将使得拍动的斯特罗哈尔数更接近于0.3，从而具有更大的升力效率。　　（5）传统的平面机翼在扑旋翼的拍动过程中，会产生接近对称的变形，而弓型机翼则是将弓型翼梁的前缘和后缘用鱼线拉紧，使得该机翼在下拍过程中变形较小而在上拍过程中变形较大。为了研究弓型机翼对扑旋翼升力的影响，本文基于包括应力元等多种元器件在内的测力系统和一款电磁电机驱动的扑旋翼，分别测量了平面机翼和弓型机翼在不同安装角下的升力。结果表明，相比平面机翼在安装角下实现最大升力，弓型机翼会在达到最大升力。除此之外，相同拍动频率下，弓型机翼能产生的最大升力比平面机翼所能产生的最大升力大37%。

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