主动变形扑翼飞行器的设计和风洞测力试验研究

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1、航空学报ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａＭａｒ．２５２０１３Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．３４７４－４８６ＩＳＳＮ１０００－６８９３ＣＮ１１－１９２９／Ｖｈｔｔｐ：／／ｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎｈｋｘｂ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎｄｏｉ：１０．７５２７／Ｓ１０００－６８９３．２０１３．００８３主动变形扑翼飞行器的设计和风洞测力试验研究段文博，昂海松＊，肖天航南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京２１００１６摘要：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

2、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。关键词：主动变形；扑翼；扑翼飞行器；仿鸟；运动规律；风洞试验；气动特性中图分类号：Ｖ２１１．７文献标识码：Ａ文章编号：１０００－６８９３（２０１３）０３－０４７４

3、－１３节［９－１０］，或者在翼面上放置单向活动叶片以模拟羽毛的作用［１１］，这类扑翼飞行器被称为被动变形扑翼飞行器。虽然它们机翼的被动变形对提高升力起到了一定作用，但是它们的飞行方式和性能与真正的鸟类还有很大区别。鉴于此，本文研究了鸟类的身体结构和翅膀及尾翼的运动规律，并在此基础上设计了一种机翼可以主动变形的仿鸟扑翼飞行器；研制了用于此飞行器的机构运动控制系统并设计了机构运动规律。主动变形扑翼飞行器的设计使用了机器人技术，可以由程序控制全机的８个活动关节一起协调运动，以模仿鸟类的飞行动作，在进行多状态试验时可以很方便地改变机翼和尾翼的运动规律，与用纯粹

4、的机械结构模拟复杂运动的方法相比，极大地提高了试验效率，节约了试验成本。在低速风洞中对所研制的主动变形扑翼飞行器进行了一系列测力试验，根据试验结果分析出鸟的翅膀结构精巧，有多个自由度。鸟飞行时扑动规律复杂，翅膀不是单纯的上下扑动，除了由于气动力、惯性力作用产生的被动变形外，还伴随有显著的扭转、伸缩等主动变形。鸟做这些主动变形的目的是为了适应各种飞行状态的需要，产生最佳的气动效率，并控制飞行姿态。为了研究鸟类的身体结构、运动学和空气动力学，生物学家和航空学者做了很多关于鸟类的自由飞行风洞试验和运动规律捕捉试验［１－４］。仿鸟的扑翼飞行器也成为国内外航空界

5、的一个研究热点，有很多关于扑翼飞行器气动特性的研究［５－８］，目前研究的扑翼飞行器大多数是机翼只能上下扑动，依靠柔性机翼在气动力和惯性力的作用下产生被动扭转变形，这些扑翼飞行器结构简单，易于制造和飞行控制，并且也有不错的飞行性能［５］。为了进一步提高此类扑翼飞行器的升力，研究人员在机翼上安装一个使机翼中间可以上下弯折的单向关收稿日期：２０１２－０３－２０；退修日期：２０１２－０４－１１；录用日期：２０１２－１２－０７；网络出版时间：２０１２－１２－２５０８：４７网络出版地址：ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．１９２９．Ｖ．２０１２

6、１２２５．０８４７．００１．ｈｔｍｌ基金项目：国家自然科学基金（１１００２０７２）；高等学校博士学科点专项科研基金（２０１０３２１８１２０００１）＊通讯作者．Ｔｅｌ．：０２５－８４８９６２０５Ｅ－ｍａｉｌ：ａｈｓ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ引用格式：ＤｕａｎＷＢ，ＡｎｇＨＳ，ＸｉａｏＴＨ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔｏｆａｎａｃｔｉｖｅｍｏｒｐｈｉｎｇｗｉｎｇｏｒｎｉｔｈｏｐｔｅｒ．ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕ－ｔｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１３，３４（３）：４７４４－８６．段文博，昂海松，肖天航．主动变形扑翼飞行器的设

7、计和风洞测力试验研究．航空学报，２０１３，３４（３）：４７４４－８６．段文博等：主动变形扑翼飞行器的设计和风洞测力试验研究４７５主动变形扑翼的气动特性与常规柔性扑翼的区别，并研究了主动变形扑翼升力和推力的主要影响因素。由于前臂的扭转和腕关节的向后弯曲，会使腕关节看起来像是向下弯曲［１］，在快要到达上扑顶点的时候，鸟会再次快速伸展翅膀为下一次的下扑做准备。由于骨骼结构的原因，飞行中鸟类翅膀的前臂和掌骨是同步折叠和展开的［１３］，也就是肘关节和腕关节是同步转动的。主动变形扑翼飞行器的设计１鸟类身体结构和飞行时翅膀及尾翼运动规律研究１．１主动变形扑翼飞行器的

8、结构设计１．２鸟翼结构图如图１（ａ）所示。鸟类翅膀骨骼可分为上臂、前臂和手３个部分。上臂由大而