四翼扑翼机气动性能分析

发布时间：2020-08-05 08:15

【摘要】：扑翼机是一种仿生飞行器。与传统固定翼飞机和旋翼机不同,扑翼机主要通过双翼上下扑动、折叠和扭转实现推进与升降,具有较高的灵活性,在机场和农田驱鸟等方面有较好的发展前景。目前人们在研究两翼扑翼机的过程中发现两翼扑翼机的机翼布局和运动模式单一,导致稳定性不够好,不能持续高效的产生升力和推力。而四翼扑翼机增加了一对机翼,改变了机翼布局,通过调整四个机翼的运动模式能够有效提高稳定性,同时能够持续高效的产生升力和推力,因此对四翼扑翼机的研究很有意义。首先,对比四翼昆虫与鸟类的翅膀结构特点,总结四翼昆虫的飞行方式。从涡的基本理论出发,分析扑翼机在飞行时的升力机制,为四翼扑翼机运动方程的定义提供理论依据。然后,建立两种四翼扑翼机的模型,一种为模仿蜻蜓飞行的仿蜻蜓四翼扑翼机运动模型,另一种为模仿蜜蜂飞行时机翼对拍运动机制的对拍式四翼扑翼机运动模型。在传统机翼运动模式的基础上加入机翼绕y轴的偏转运动,使得翼尖的运动轨迹从原本的“?”型变为“8”型,建立一个具有“扑动-扭转-偏转”三个运动的三维扑翼模型。为了更方便地研究机翼的柔性形变对扑翼机的影响,采用近似柔性思想简化机翼的柔性形变,将机翼分段并分别定义运动方程,使机翼具备一定的柔性。针对传统扑翼机扑动区域相对于机身水平面上下对称导致升力不足的缺点,在新模型中加入扑动初始角,改变机翼扑动时扫过机身水平面上方和机身水平面下方的区域,使机翼位于机身水平面下方的运动区域大于机身水平面上方,增加正升力。最后,利用CFD软件对四翼扑翼机模型进行数值模拟。详细分析了两种四翼扑翼机的扑动初始角、扭转角、扑动频率、风速、机身迎角、机翼柔性和机翼相位差在不同取值情况下的推力系数、升力系数、平均推力系数和平均升力系数的变化规律,并对这些规律进行理论解释。分别从翼展方向的速度云图、涡流云图、机身上表面和下表面的静压云图和整个机身附近的等涡图等方面分析两种四翼扑翼机在扑动过程中机翼表面流场的变化情况,得出两种四翼扑翼机最佳的运动参数。
【学位授予单位】：中国民航大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V211.59
【图文】：

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第一章绪论意义机的研究最早可以追溯到春秋战国时代，根据《墨子·制作了一只能够在天上飞三天三夜的喜鹊。《太平御衡曾尝试用木头做鸟，在机翼上加上羽毛，在机身内设国外对扑翼机的研究最早可以追溯到十三世纪中叶，艺和自然的奥秘》中描述了扑翼飞行器是一种依靠器械的飞行器。之后的文艺复兴时期，艺术家达·芬奇绘制图 1-1 所示。到了 20 世纪中后期，科学家们根据前人翔机和动力扑翼飞行器，直至今日还在断改进和完善。

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中国民航大学硕士学位论文2 扑翼机国内外研究现状.1 扑翼机样机研究目前大型扑翼飞行器主要有加拿大 Uoft 制造的 Snowbird 飞行器[6-8]，如图 1-2 所款飞行器全机身采用碳纤维材料制造，翼展达到 32 米的同时其质量仅有 42.6 千靠驾驶员在机舱内不停地蹬脚踏板提供动力，带动机翼扑动实现飞行。但飞行器汽车预先拉动助跑后才能飞行，试飞最远飞行距离仅为 145 米。

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目前大型扑翼飞行器主要有加拿大 Uoft 制造的 Snowbird 飞行器[6-8]，如图 1-2 所款飞行器全机身采用碳纤维材料制造，翼展达到 32 米的同时其质量仅有 42.6 千克靠驾驶员在机舱内不停地蹬脚踏板提供动力，带动机翼扑动实现飞行。但飞行器需汽车预先拉动助跑后才能飞行，试飞最远飞行距离仅为 145 米。图 1-2 Uoft 研制的 Snowbird同时 Uoft 还研制了采用活塞发动机驱动的扑翼机，如图 1-3 所示。该扑翼机功率8 千瓦，通过活塞发动机带动机翼扑动。但是由于活塞发动机大幅度增加了机身重量致三次试飞试验都未能完成完整飞行。

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