翠鸟入水俯冲气动特性及变体飞行策略研究

发布时间：2020-06-06 02:38

【摘要】：跨介质航行器是一种可在空中与水中巡航并能自由穿越水气界面的新概念两栖无人运动平台,其入水和出水过程涉及航行器与流体介质的耦合作用、跨越介质时的载荷突变、姿态变化的瞬时失稳等问题。如何减小入水冲击力、防止失稳,如何控制出水载荷跃变、快速脱出水面,是研究者亟需突破的瓶颈技术。航行器入水前飞行姿态的控制策略研究,是突破其入水技术的前提,也是保证其平稳入水的关键。本文将采用工程仿生学研究方法与研究手段,选取普通翠鸟作为仿生原型,分析翠鸟俯冲气动性能和飞行策略,探索跨介质航行器入水前的变体控制策略,具体为:选取翠鸟空中俯冲时期三种典型飞行姿态为研究对象,采用逆向工程方法,使用三维扫描仪获取了三种飞行姿态的点云数据,应用Geomagic和CATIA软件建立了三种飞行姿态物理模型。将翠鸟实物活体与其物理模型的体长参数进行对比,验证了曲面处理的准确性。将三种飞行姿态物理模型进行几何测量,获得了物理模型的质心位置、翼展、翅翼参考面积和最大截面面积等参数信息。运用SLA(立体光固化)打印技术制备了翠鸟三种飞行姿态模型的试验件,使用简易型风洞试验台测量了风速为6 m/s、11 m/s、16 m/s、21 m/s下的36组气动力试验数据,分析了不同飞行姿态翠鸟在四种速度下的升阻力特性。研究发现:翠鸟入水前可通过调整翅翼外形和飞行速度来改变飞行气动力。使用Hypermesh软件将翠鸟翅翼收拢姿态模型的计算域划分成稀疏、中等、加密三种尺度的非结构网格,应用LES模型模拟研究了三种尺度网格对翠鸟阻力系数的影响,获取了适合计算的最佳(中等)网格尺度。文中三种典型姿态模型的计算域均利用中等尺度网格进行离散,在来流速度为6 m/s、11 m/s、16 m/s、21 m/s、26 m/s的条件下进行翠鸟俯冲气动性能模拟。对比计算与试验结果发现,升阻力变化趋势基本一致,验证了数值模拟方法的正确性。分析翠鸟不同姿态下的气动特性与流场特性,结果表明:三种姿态翠鸟的摩擦阻力、鸟体压差阻力均近似相等,并且占总阻力的比例较小;翠鸟升力、俯仰力矩、诱导阻力、翅翼压差阻力,由于翅翼外形的不同,产生了较大的差异。使用Hypermesh和ICEM软件划分计算控制域为四个子流域对接的混合型网格,选取SST k-ω湍流模型,采用网格动态分层法,应用FLUENT中的相关宏和函数,在初始速度11 m/s和26 m/s、初始下滑角度60o的条件下模拟了翠鸟俯冲飞行过程。分析了整个俯冲过程中的飞行速度、下滑角度、飞行轨迹随时间的变化关系,以及分析了不同阶段下翠鸟气动力、飞行速度、俯仰力矩、俯仰角速度随时间的变化情况,研究结果表明:在翅翼收拢阶段,翠鸟采取抬头的方式调整飞行轨迹获得较多升力以维持加速俯冲的稳定性;在翅翼折叠阶段,翠鸟产生高阻力和高升力,实现高速下的快速减速;在翅翼后掠阶段,翠鸟在接近水面时改变升力方向,调控速度增减趋势,获取最佳的入水初始状态。根据对翠鸟俯冲飞行过程的研究,探索了跨介质航行器在入水前弹翼折叠和弹翼后掠的变体控制策略。
【图文】：

航行器,介质,无人机,潜射

图 1. 1 跨介质航行器发展历程20 世纪 20~30 年代，有研究者提出了潜水飞机或者飞行潜艇的设想，认为跨介质航行器是潜艇和飞机的结合体，集成了空中和水下两种航行器的能力。苏联、美国、法国等国家的研究机构相继提出了多种设计方案，如 LPL（飞行潜艇）项目[5]、大型潜水飞机[6]、“埃利乌斯”潜水飞机[7]等。但是，由于当时技术水平的限制，基本未进入详细设计阶段。到 21 世纪初期，各国学者开始了对潜射无人机和潜航飞行器的研究。潜射无人机是通过导弹发射管或卫星运载火箭从水下发射，机体本身不直接完成跨介质作业并且不具备水下潜航和水面航行能力的水空两栖无人装备。目前的潜射无人机基本采用机翼变体结构，发射前机翼处于折叠姿态，，升空后机翼逐渐展开，如“鸬鹚”潜射无人机[8-10]、“弹簧刀”无人机[11]、Sea-Robin XFC 潜射无人机[12]等，这些机翼的变形设计均可为跨介质航行器的变体研究带来启发。潜航飞行器不同于潜射无人机，它是一种既可以在水下潜航又

布局设计,变体,航行器

图 1. 2 气/水动布局设计的研究综上可知，航行器很难以单一外形突破入水技术和满足两种介质下的航行要求，必须融合一定形式的结构变体和控制切换等设计，才能具备稳定入水的能力和同时达到良好的空中/水中航行性能。目前，空中飞行变体技术已相当成熟，且随着仿生学概念的逐渐发展，国内外学者已从常规变体技术转向了仿生变体技术的研究[46-49]。变体飞行器的结构变形、驱动控制、仿生设计等技术均为跨介质航行器入水前气动特性和飞行策略的研究提供了相应地技术支撑，尤其是对仿生学的研究，将生物功能有针对性的移植到工程技术中将有可能从根本上突破跨介质航行器的瓶颈技术。1.4 鸟类飞行姿态的研究现状
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：Q811;V27

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