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蜻蜓转弯和侧飞时气动特性研究及仿蜻蜓样机研制

张锐  
【摘要】:扑翼飞行器是一种以扑动方式提供升力和推力的新式飞行器,具有体积小、隐蔽性好、机动性高等优点。扑翼飞行器在军事和民用领域已经发挥着越来越重要的作用。近20年来,人们对扑翼飞行机理进行了大量研究,其研究成果大力推进了扑翼飞行器的研制进程。然而,现阶段研制的扑翼飞行器依然存在可控性差、抗外界气流干扰能力弱等问题。扑翼飞行器的实用化尚需对扑翼机动转弯和侧飞时的飞行机理有更深入的研究、对如何有效实现灵活转弯和侧飞的关键技术有更进一步的探索。蜻蜓具有随意实现加减速、急转弯、悬停、倒飞等其他飞行生物无法比拟的飞行技巧,其优异的飞行性能为扑翼飞行器的研制提供了不可多得的生物样本。本文采用计算流体力学方法,对蜻蜓机动转弯和侧飞时的气动特性和飞行机理进行系统研究,并在此基础上研制一种操控简单且具有较强机动转弯能力和抵抗一定侧风能力的仿蜻蜓扑翼飞行器。本文的主要内容如下。通过分析和简化蜻蜓翅膀几何外形和运动方式,建立了蜻蜓四翅三维数值计算模型,系统分析了不同前飞速度下,在对称扑动和非对称扑动时左右翅膀间的气动干扰。研究结果表明:对称扑动时,两侧翅膀间的气动干扰很小,蜻蜓躯体对称面处气流的侧向流速很小,几乎无气流穿过对称面;而在非对称扑动时,在对称面附近出现了一侧向流区域,部分气流穿过对称面进入另一侧,但此区域气流的侧向流速依然较小,两侧翅膀间的气动干扰较小。对扑动幅值的非对称在机动转弯中的作用机制进行了系统研究。研究结果表明:增加一侧两个翅膀扑动幅值可以使蜻蜓向另一侧快速机动转弯,还能提供一定侧向力。本文在蜻蜓计算模型中引入了翅根距离物理量,进一步考察了其对蜻蜓气动性能的影响。研究结果表明:相对于控制扑动幅值,控制翅根距离只能实现缓慢地滚转及偏航,不能提供侧向力。在蜻蜓四翅扑动模型基础上引入侧风,详细研究了侧滑角对蜻蜓气动性能的影响。结果表明:侧滑角对蜻蜓总举力的影响最小,对总推力的影响最大;侧滑角越大,侧向力越大,蜻蜓加速侧向偏移,同时滚转与偏航力矩越大,越不利于蜻蜓飞行;侧滑角使得翅膀上的涡与附着流侧向偏移,左右翅膀上压力分布不再对称,破坏了左右翅间气动力平衡。在双曲柄双摇杆和单曲柄双摆杆基础上,提出了双曲柄双摇杆扑动-调节机构和单曲柄双摆杆扑动-调节机构,并进行了运动学分析。结果表明:单曲柄双摆杆扑动-调节机构能更有效地调节翅膀扑动幅值。最终基于单曲柄双摆杆扑动-调节机构研制了一种可调节扑动幅值的仿蜻蜓扑翼样机,并进行了样机试飞。试飞结果表明该扑动-调节机构可有效地实现仿蜻蜓扑翼样机机动转弯飞行。本文的研究成果丰富了特殊条件下扑翼气动机理的研究,同时为研制实用化及可控化的扑翼飞行器提供了有价值的借鉴和指导。


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