复翅扑动参数及几何参数间的气动耦合特性实验研究

发布时间：2020-10-30 00:04

　　 扑翼飞行器有着良好的隐蔽性、机动性以及低能耗性,在许多方面有着广泛的应用前景。近30年来,研究人员为了研制扑翼飞行器对昆虫和鸟类的飞行机理进行了大量的研究,其研究成果为扑翼飞行器的研制提供了有力的支持。相较于单翅的鸟类和昆虫,复翅昆虫的飞行有着更好的平稳性和机动性,但其气动机理也更加复杂。在复翅情况下,多参数之间耦合对气动力有着不可忽视的影响,本文以蜻蜓为参考建立复翅扑翼模型,对多个扑动参数和几何参数之间的耦合在悬停时对气动力的影响进行实验研究,以期为复翅扑翼飞行器的研制提供参考。本文首先研制了一套能够模拟复翅昆虫悬停飞行的扑翼模型,并搭建了能够测量多参数之间耦合对气动力影响的实验平台。实验平台包含复翅扑动机构、运动控制系统、底层和上层程序、测力传感器四个部分。实验装置中的扑翼模型按照文献中复翅昆虫悬停时的观测数据,在单片机的控制下完成扑动运动,并测量了该模型的运动拟合精度。在搭建的实验平台上,首先针对扑动频率、扑动幅值以及前后翅相位差等三个扑动参数之间耦合对气动力的影响开展了实验研究。实验结果表明三个扑动参数之间耦合对平均升力系数有着较大的影响,随着扑动频率的增大,平均升力系数随着扑动幅值的增大而减小;而三个扑动参数之间耦合对平均推力系数的影响较小。接着针对前后翅间距和扑动参数之间耦合对气动力影响开展了实验研究。实验结果表明前后翅间距和扑动参数之间耦合对平均升力系数的影响较小,而对平均推力系数的影响较大。前后翅间距存在一个合理间距,当前后翅间距在该范围内时,平均推力系数随扑动幅值的增大而增大;当前后翅间距大于或者小于该范围内时,平均推力系数随扑动幅值的增大先增大后减小。本文的研究揭示了仿生复翅扑翼飞行器多参数之间的耦合对气动力的干扰,研究成果对制作扑翼样机提供一定的理论参考。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V211.59
【部分图文】：

第 1 章 绪 论1.1 课题背景及研究的目的和意义人类对天空的向往一直推动着人类对飞行器的深入探索，自然界中的昆虫和鸟类都采用了扑动的飞行方式，然而扑动飞行这种最古老的飞行方式由于其异常的复杂性却是人类了解最少的飞行方式。微型飞行器的概念[1]是上世纪九十年代由美国兰德公司提出的，并将微型飞行器定义为：特征尺寸不超过 15cm，重量小于 100 g，时速 30-60 km/h[2]。如图 1-1 所示，微型飞行器主要有三种，分别是：微型固定翼飞行器、微型旋翼飞行器、微型扑翼飞行器[3-4]。固定翼飞行器的气动机理明确，应用的最早，实际应用中飞行速度高，但也同时存在微型化难、能耗大等缺点；旋翼飞行器优点是小型化容易，飞行速度较慢，常用于各类航拍，但是存在着噪音较大，能耗较高等问题。相较于前面的两种飞行器，微型扑翼飞行器的优势更加明显，其具有良好的隐蔽性，小型化容易，噪音更低，但是升力产生的机理更加复杂，理论基础尚不明确[5-7]。

a) Mentor 飞行器[8]b) 蜂鸟机器人[9]c) FESTO 仿生蜻蜓[11]图 1-2 微型扑翼飞行器样机传统的微型扑翼飞行器大多采用左右单翅翼的设计方案，但是随着研究的深入发现复翅布局微型扑翼飞行器具有更多的优点。自然界中典型的复翅昆虫就是蜻蜓，蜻蜓可以实现前飞、后退、悬停以及滑翔等飞行方式，并且飞行效率更高，能耗更低，但是目前类似蜻蜓这种复翅布局的扑翼飞行器的气动机理尚不明确，尤其是多参数之间的耦合效应尚不清楚，而相关研究也非常的欠缺。综上所述，研究复翅扑翼飞行器参数之间耦合对气动力的影响对扑翼飞行器的研制十分必要。1.2 国内外研究现状仿生扑翼飞行器气动机理的研究通常有数值计算和实验研究。数值计算研究的优点是可以设定理想的计算环境，容易改变条件，不需要搭建复杂的实验平台，但数值计算往往会提出一些假设以及简化条件，而实际情况更加复杂，需要考虑的因素更多，所以基于数值仿真的计算结果大多需要实验数据的支撑。实验研究的优点是实验测量的条件较理论计算更接近真实的情况，所以实验测

扑阶段在翅翼前缘产生了强烈的前缘涡，该前缘涡在整个平动运动中不会，这对昆虫的高升力产生机理提出了一种解释，随后该实验结果就被其他值计算和实验所验证，并称之为“不失速机制”[14-17]。图 1-3 烟雾活体实验[13]如图 1-4 所示，美国加州大学的 Dickinson[18]设计一对模拟果蝇在低雷洛动的扑动机构，并在矿物油罐中开展了实验研究，得出了如下结论：昆虫延迟失速、旋转环流和尾迹捕获的共同作用而获得较大的升力。assembly
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本文编号：2861667