主動變形撲翼飛行器的設(shè)計和風(fēng)洞測力試驗(yàn)研究

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1、航空學(xué)報ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａＭａｒ．２５２０１３Ｖｏｌ．３４Ｎｏ．３４７４－４８６ＩＳＳＮ１０００－６８９３ＣＮ１１－１９２９／Ｖｈｔｔｐ：／／ｈｋｘｂ．ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎｈｋｘｂ＠ｂｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎｄｏｉ：１０．７５２７／Ｓ１０００－６８９３．２０１３．００８３主動變形撲翼飛行器的設(shè)計和風(fēng)洞測力試驗(yàn)研究段文博，昂海松＊，肖天航南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，江蘇南京２１００１６摘要：主動變形撲翼可以模仿鳥翼飛行時的復(fù)雜運(yùn)動。為了了解主動變形撲翼飛行器的氣動特性，在研究鳥類骨骼結(jié)構(gòu)和翅膀及尾翼運(yùn)動

2、規(guī)律的基礎(chǔ)上，設(shè)計并制造了一種基于機(jī)器人技術(shù)的主動變形撲翼飛行器；給出了主動變形撲翼飛行器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律函數(shù)，并設(shè)計出機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制系統(tǒng)；在低速風(fēng)洞中對此飛行器進(jìn)行了一系列測力試驗(yàn)，研究了主動變形撲翼的升力、推力特性，以及風(fēng)速、撲動頻率、撲動幅度、伸展相位等參數(shù)對升力和推力的影響，并與常規(guī)撲翼進(jìn)行了對比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，較之常規(guī)撲翼，主動變形撲翼可以顯著增加升力和增強(qiáng)對不同飛行狀態(tài)的適應(yīng)能力。關(guān)鍵詞：主動變形；撲翼；撲翼飛行器；仿鳥；運(yùn)動規(guī)律；風(fēng)洞試驗(yàn)；氣動特性中圖分類號：Ｖ２１１．７文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：１０００－６８９３（２０１３）０３－０４７４

3、－１３節(jié)［９－１０］，或者在翼面上放置單向活動葉片以模擬羽毛的作用［１１］，這類撲翼飛行器被稱為被動變形撲翼飛行器。雖然它們機(jī)翼的被動變形對提高升力起到了一定作用，但是它們的飛行方式和性能與真正的鳥類還有很大區(qū)別。鑒于此，本文研究了鳥類的身體結(jié)構(gòu)和翅膀及尾翼的運(yùn)動規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種機(jī)翼可以主動變形的仿鳥撲翼飛行器；研制了用于此飛行器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制系統(tǒng)并設(shè)計了機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律。主動變形撲翼飛行器的設(shè)計使用了機(jī)器人技術(shù)，可以由程序控制全機(jī)的８個活動關(guān)節(jié)一起協(xié)調(diào)運(yùn)動，以模仿鳥類的飛行動作，在進(jìn)行多狀態(tài)試驗(yàn)時可以很方便地改變機(jī)翼和尾翼的運(yùn)動規(guī)律，與用純粹

4、的機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬復(fù)雜運(yùn)動的方法相比，極大地提高了試驗(yàn)效率，節(jié)約了試驗(yàn)成本。在低速風(fēng)洞中對所研制的主動變形撲翼飛行器進(jìn)行了一系列測力試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析出鳥的翅膀結(jié)構(gòu)精巧，有多個自由度。鳥飛行時撲動規(guī)律復(fù)雜，翅膀不是單純的上下?lián)鋭?，除了由于氣動力、慣性力作用產(chǎn)生的被動變形外，還伴隨有顯著的扭轉(zhuǎn)、伸縮等主動變形。鳥做這些主動變形的目的是為了適應(yīng)各種飛行狀態(tài)的需要，產(chǎn)生最佳的氣動效率，并控制飛行姿態(tài)。為了研究鳥類的身體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動學(xué)和空氣動力學(xué)，生物學(xué)家和航空學(xué)者做了很多關(guān)于鳥類的自由飛行風(fēng)洞試驗(yàn)和運(yùn)動規(guī)律捕捉試驗(yàn)［１－４］。仿鳥的撲翼飛行器也成為國內(nèi)外航空界

5、的一個研究熱點(diǎn)，有很多關(guān)于撲翼飛行器氣動特性的研究［５－８］，目前研究的撲翼飛行器大多數(shù)是機(jī)翼只能上下?lián)鋭樱揽咳嵝詸C(jī)翼在氣動力和慣性力的作用下產(chǎn)生被動扭轉(zhuǎn)變形，這些撲翼飛行器結(jié)構(gòu)簡單，易于制造和飛行控制，并且也有不錯的飛行性能［５］。為了進(jìn)一步提高此類撲翼飛行器的升力，研究人員在機(jī)翼上安裝一個使機(jī)翼中間可以上下彎折的單向關(guān)收稿日期：２０１２－０３－２０；退修日期：２０１２－０４－１１；錄用日期：２０１２－１２－０７；網(wǎng)絡(luò)出版時間：２０１２－１２－２５０８：４７網(wǎng)絡(luò)出版地址：ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．１９２９．Ｖ．２０１２

6、１２２５．０８４７．００１．ｈｔｍｌ基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（１１００２０７２）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（２０１０３２１８１２０００１）＊通訊作者．Ｔｅｌ．：０２５－８４８９６２０５Ｅ－ｍａｉｌ：ａｈｓ＠ｎｕａａ．ｅｄｕ．ｃｎ引用格式：ＤｕａｎＷＢ，ＡｎｇＨＳ，ＸｉａｏＴＨ．Ｄｅｓｉｇｎａｎｄｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌｔｅｓｔｏｆａｎａｃｔｉｖｅｍｏｒｐｈｉｎｇｗｉｎｇｏｒｎｉｔｈｏｐｔｅｒ．ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕ－ｔｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１３，３４（３）：４７４４－８６．段文博，昂海松，肖天航．主動變形撲翼飛行器的設(shè)

7、計和風(fēng)洞測力試驗(yàn)研究．航空學(xué)報，２０１３，３４（３）：４７４４－８６．段文博等：主動變形撲翼飛行器的設(shè)計和風(fēng)洞測力試驗(yàn)研究４７５主動變形撲翼的氣動特性與常規(guī)柔性撲翼的區(qū)別，并研究了主動變形撲翼升力和推力的主要影響因素。由于前臂的扭轉(zhuǎn)和腕關(guān)節(jié)的向后彎曲，會使腕關(guān)節(jié)看起來像是向下彎曲［１］，在快要到達(dá)上撲頂點(diǎn)的時候，鳥會再次快速伸展翅膀?yàn)橄乱淮蔚南聯(lián)渥鰷?zhǔn)備。由于骨骼結(jié)構(gòu)的原因，飛行中鳥類翅膀的前臂和掌骨是同步折疊和展開的［１３］，也就是肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)是同步轉(zhuǎn)動的。主動變形撲翼飛行器的設(shè)計１鳥類身體結(jié)構(gòu)和飛行時翅膀及尾翼運(yùn)動規(guī)律研究１．１主動變形撲翼飛行器的

8、結(jié)構(gòu)設(shè)計１．２鳥翼結(jié)構(gòu)圖如圖１（ａ）所示。鳥類翅膀骨骼可分為上臂、前臂和手３個部分。上臂由大而