微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计

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1、微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计——刘岚方宗德侯宇等微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计刘岚方宗德侯宇吴立言西北工业大学,西安,710072摘要:通过分析飞行动物扑翼飞行中的各种物理参量对飞行特性的影响,得出了能为微扑翼飞行器设计所利用的规律.根据几何相似原理,利用基于量纲的尺度分析从本质上揭示了扑翼飞行中各种物理参量之间的相互联系.分析发现,几何尺度对微扑翼飞行器在翼展,翼面积,翼载荷,展弦比和扑翼频率等总体设计参数的影响趋势和对飞行动物相应物理量的影响趋势一致,但在具体量值上有所差异.根据扑翼飞行动物统计分析得到的尺度律设计并制作出了

2、实际可飞的微扑翼飞行器.关键词:微型飞行器;扑翼;仿生设计;尺度律;几何相似中图分类号:TB17文章编号:1OO4—132X(2005)18—1613一O5BionicDesignandScalingLawsforFlapping--wingMAVsLiuLanFangZongdeHouYuWuIiyanNorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an,710072Abstract:Somevaluableprinciplesfortheconfigurationofflapping——wingMicroAirVehicles(MAVs)

3、werepresentedbyassessingtheeffectsofdifferentparameters,suchaswingareaandwingspanaspectratio,ontheflightcharacteristicsofflappingflightanimals.Basedontheassumptionofgeometricsimilarityamongbirds,therelationsbetweendifferentphysicalquantitiessuchaswingspan,wingarea,wingloading,aspectratioa

4、ndwingbeatfrequency,weresummarizedviathedimen—sionalarguments.ThenthescalinglawsfortheMAVswithflappingwingswereinduced.Inthefoundationofthescalinglaws,abionicdesignmethodforflapping--wingMAVswasstudied.FinallyalightweightflappingwingMAVwasbuildandhasbeendemonstratedsuccessfullyfreeflights

5、withflightdurationrangesfrom10sto21S.Themodelingandanalysismethod.aswellastheconclusionsaresuitablefordesignandanalysisofflapping--wingMAVs.Keywords:MAV;flapping--wing;bionicdesign;scalinglaw;geometricsimilarity0引百近年来,微型飞行器(microairvehicle,MAV)的研究越来越引起人们的重视.对于翼展小于15cm,飞行速度在3O～60km/h的微型飞行器

6、,其飞行的最显着特征是其物理尺度远小于常规飞行器,飞行雷诺数低于常规飞行器,一般都在1O～1O.以下,这给微型飞行器飞行带来极为不利的气动影响.自然界中与目前的微型飞行器物理尺度相当的小型飞鸟及大型飞行昆虫,都没有使用许多大型鸟类所采用的滑翔方式飞行,而是采用扑翼并伴有翼翅形状变化的方式飞行.通过这种方式,它们巧妙地利用非定常流动来克服低雷诺数下气动性能的恶化.因此,模仿鸟或昆虫飞行方式的微扑翼飞行器(flapping—wingMAV)将是MAV进一步发展的必然选择.根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见的是,在收稿日期:20O4—05—02基金项目:国防基础科研项目(K

7、1800060109);西北工业大学博士创新基金资助项目(M016103)翼展小于15cm时,扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具优势_1].现在国内外对微扑翼飞行器的研制尚处于初步阶段,但已有了许多研究_2].设计和制造具有良好飞行性能的微扑翼飞行器,是仿生扑翼飞行研究中富于挑战性的一个研究难题.本文将探讨动物飞行对微扑翼飞行器设计的启示以及微扑翼飞行器设计中应考虑的尺度律问题,并对笔者研制成功的微扑翼飞行器的设计参数进行了总结.1生物飞行的尺度律问题研究评估各种物理参量(如翼面积,展弦比等)对飞行特性的影响将有助于对鸟类,昆虫等