扑翼的气动特性和实验研究

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1、2280536-36扑翼的气动特性和实验研究扑翼的气动特性和实验研究昂海松，曾锐（南京航空航天大学微型飞行器研究中心，南京，210016）引言同常规布局飞机相比，鸟类仅用一对扑翼就可以同时产生推力和升力。如果设计扑翼飞行器，仅仅通过调整扑翼系统的扑动参数就能实现灵活的机动，从而可以省略推进装置和各种升力面、控制面，大大降低飞机结构重量，简化复杂程度。近年来，微型飞行器MAV（MicroAirVehicle）由于其尺寸小、重量轻、应用前景广泛的特点，受到了国内外的普遍重视。目前研制的微型飞行器尚多半是固定翼布局，但扑翼式微型飞行器因其更接近鸟的飞行，并且无需螺

2、旋桨或喷气装置，而受到了国内外的极大关注。美国微型扑翼飞行器“微型蝙蝠”的初图1扑翼气动力示意图步研制试飞成功更引起了人们研究的兴趣。现在国内外对扑翼飞行的研究逐渐增为V=V+V，方向如图相对V向多，针对扑翼的非定常气动特性计算已出现了∞flap∞[1][2][3]多种方法。如Katz、Giesing、Basu、Hall上偏转了α。由Kutta-Joukowski定理可flap[4]和Pigott等人使用的是面元法和涡格法，也知，作用在扑翼上的气动力F方向垂直于合有一些专家用解N-S方程来计算扑翼的非定常速度V指向斜上方,其在垂直和水平方向上流场。来研究扑翼

3、飞行。但这些研究基本上都的分量F、F即分别为扑翼的升力和推力。是基于简单的刚性翼的简谐扑动模型（2.1节LT[5](1)式）。参考文献中提出了一阵比刚性扑动2柔性扑翼的扑动模型模型更接近鸟实际飞行的可折叠扑翼运动模型，分析了其气动特性，但该模型仍属半刚性2.1原有扑翼模型及其与鸟实际扑翼规模型。本文在研究鸟翼柔性扑动规律的基础律的区别上，提出一种更接近鸟翼柔性扑动变化特征的新的变速＋柔性变形扑翼模型，并与原有扑翼鸟翼的扑动是一种周期运动，主要可以模型的气动性能计算作了比较分析。分成两个方向的运动：(1)绕体轴线的上下扑动；(2)绕前缘或某一位置弦线的俯仰运动

4、。1扑翼产生升力和推力的机理定义α为扑翼相对来流方向的迎角，表示扑翼俯仰运动的位置；扑动角β是如图2所示扑翼扑翼相对于固定翼的一个重要特征，就翼根处翼面与水平面的夹角，表示扑翼上下扑是扑翼在提供升力的同时还能产生推力。下面动的位置。根据最简化的扑翼模型，分析一下其同时产生在以往的研究中，人们采用的通常是最升力和推力的机理简单的匀速刚性模型。如图，流场有一低速直匀流V∞,迎角为α()tt=+ααsin(ωφ+)0max0α0，扑翼向下扑动时，气流相对扑翼有一垂直(1)β()tt=+ββsin(ωφ+)0max0β向上的速度V，扑翼的相对来流速度大小fla

5、p第五届飞机发展与设计专业年会论文集2292π不同，在翼根处为0，通常沿展向非线性增大，其中ω=为扑动速率，α，β分0f00到翼梢处达到最大。而且各翼剖面扭转随时间flap也周期性不断变化。别表示俯仰运动和上下扑动的中间位置。α，β为俯仰和扑动的幅度。maxmax但该模型与鸟的实际飞行情况还是有很大区别的。首先，该模型没考虑鸟翼上扑和下扑所需时间的不同。通常鸟下扑段时间一般占整个[6]图3扑翼弦向扭转示意图周期的60－80％。为改正这一缺陷，我们用变量ω=ω[1−Ksin(ω⋅t)]代替原模型中2.2柔性变形模型00的角速度常量ω0(K为上下行程比因子),这

6、鉴于上述对鸟翼的运动分析，本文试图样就可以通过取不同K值来控制上、下扑段建立一种接近鸟翼复杂变形的扑动模型。的时间比例。取机身轴线方向为X轴、展向方向为Y轴、通过观察多种飞鸟的飞行录像(参考文垂直XY平面指向上方为Z轴。扑翼在扑动过程t中，受到的气动力矩可以分解为绕Y轴的扭转[7]down献)发现，鸟平飞时上下行程比λ=通力矩和绕X轴的弯曲力矩。摈弃扑翼的刚性约tup束，给出在上述力矩的作用下的柔性变形。常为2左右，因此本文取λ=2。经过简单的除了外界气动力矩导致的柔性变形外，积分计算即得：扑翼还会受到鸟自身施加的扑动力。2tdown建立扑翼变形模型时，定义

7、弦向扭转函K=π时，上下行程比λ=＝9tup数θflex(,,)xyt和展向弯曲函数ϕflex(,,)xyt,[5]2(详细推导见参考文献)分别表示弦向和展向的扑翼形状变化。其次，也是匀速刚性模型最大的缺陷：该模型没有考虑扑翼的柔性变形。而实际中，2.2.1弦向柔性变形鸟翼的形状沿展向和弦向都是不断变化的。扑翼的弦向柔性变形主要是气动扭转力鸟翼展向形状变化如图2所示。矩力作用的结果。根据对鸟翼形状变化的分析，并结合我们研制的扑翼柔性模型的实测，我们给出以下的弦向变形模型。扑翼受到气动扭转力矩（逆时针低头为正）作用时，各剖面绕扭转轴扭转一角度，同时各剖面弦线沿

8、弦向也产生柔性变形。在我们自行设计的扑翼机和国外已公