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《主動(dòng)變形撲翼飛行器的設(shè)計(jì)和風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)研究.pdf》由會(huì)員上傳分享,免費(fèi)在線閱讀,更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMar.252013V01.34No.3474-486ISSN1000.6893CN11.1929/Vhttp:Hhkxb.buaa.edu,crlhkxb@buaa.edu,Ci3主動(dòng)變形撲翼飛行器的設(shè)計(jì)和風(fēng)洞測(cè)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(dòng)變形撲翼可以模仿鳥(niǎo)翼飛行時(shí)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。為了了解主動(dòng)變形撲翼飛行器的氣動(dòng)特性,在研究鳥(niǎo)類(lèi)骨骼結(jié)構(gòu)和翅膀及尾翼運(yùn)動(dòng)規(guī)律的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并制造了一種
2、基于機(jī)器人技術(shù)的主動(dòng)變形撲翼飛行器;給出了主動(dòng)變形撲翼飛行器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律函數(shù),并設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng);在低速風(fēng)洞中對(duì)此飛行器進(jìn)行了一系列測(cè)力試驗(yàn),研究了主動(dòng)變形撲翼的升力、推力特性,以及風(fēng)速、撲動(dòng)頻率、撲動(dòng)幅度、伸展相位等參數(shù)對(duì)升力和推力的影響,并與常規(guī)撲翼進(jìn)行了對(duì)比分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,較之常規(guī)撲翼,主動(dòng)變形撲翼可以顯著增加升力和增強(qiáng)對(duì)不同飛行狀態(tài)的適應(yīng)能力。關(guān)鍵詞:主動(dòng)變形;撲翼;撲翼飛行器;仿鳥(niǎo);運(yùn)動(dòng)規(guī)律;風(fēng)洞試驗(yàn);氣動(dòng)特性中圖分類(lèi)號(hào):V211.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):10006893(2013)030474—
3、13鳥(niǎo)的翅膀結(jié)構(gòu)精巧,有多個(gè)自由度。鳥(niǎo)飛行Herb動(dòng)規(guī)律復(fù)雜,翅膀不是單純的上下?lián)鋭?dòng),除了由于氣動(dòng)力、慣性力作用產(chǎn)生的被動(dòng)變形外,還伴隨有顯著的扭轉(zhuǎn)、伸縮等主動(dòng)變形。鳥(niǎo)做這些主動(dòng)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(dòng)效率,并控制飛行姿態(tài)。為了研究鳥(niǎo)類(lèi)的身體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和空氣動(dòng)力學(xué),生物學(xué)家和航空學(xué)者做了很多關(guān)于鳥(niǎo)類(lèi)的自由飛行風(fēng)洞試驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律捕捉試驗(yàn)[1‘4]。仿鳥(niǎo)的撲翼飛行器也成為國(guó)內(nèi)外航空界的一個(gè)研究熱點(diǎn),有很多關(guān)于撲翼飛行器氣動(dòng)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?dòng),依靠
4、柔性機(jī)翼在氣動(dòng)力和慣性力的作用下產(chǎn)生被動(dòng)扭轉(zhuǎn)變形,這些撲翼飛行器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于制造和飛行控制,并且也有不錯(cuò)的飛行性能口]。為了進(jìn)一步提高此類(lèi)撲翼飛行器的升力,研究人員在機(jī)翼上安裝一個(gè)使機(jī)翼中間可以上下彎折的單向關(guān)節(jié)[9。1。I,或者在翼面上放置單向活動(dòng)葉片以模擬羽毛的作用[11
5、,這類(lèi)撲翼飛行器被稱(chēng)為被動(dòng)變形撲翼飛行器。雖然它們機(jī)翼的被動(dòng)變形對(duì)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(niǎo)類(lèi)還有很大區(qū)別。鑒于此,本文研究了鳥(niǎo)類(lèi)的身體結(jié)構(gòu)和翅膀及尾翼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種機(jī)翼可以主動(dòng)變形的仿鳥(niǎo)撲翼飛
6、行器;研制了用于此飛行器的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)并設(shè)計(jì)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。主動(dòng)變形撲翼飛行器的設(shè)計(jì)使用了機(jī)器人技術(shù),可以由程序控制全機(jī)的8個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)一起協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),以模仿鳥(niǎo)類(lèi)的飛行動(dòng)作,在進(jìn)行多狀態(tài)試驗(yàn)時(shí)可以很方便地改變機(jī)翼和尾翼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,與用純粹的機(jī)械結(jié)構(gòu)模擬復(fù)雜運(yùn)動(dòng)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(duì)所研制的主動(dòng)變形撲翼飛行器進(jìn)行了一系列測(cè)力試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析出收稿日期:2012—03—20;退修日期:2012一04—11;錄用日期:2012—12—07;網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2012—12.2508:
7、47網(wǎng)絡(luò)出版地址:WWWcnkinet/kcms/detail/111929.V.20121225.0847001htmI基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金(11002072);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金(20103218120001)*通訊作者Tel:025—84896205E—mail:ahs@nuaaedu.crl確用格武lDuanWB.AngHS,XiaoTH.Designandwindtunneltestofanactivemorphingwingornithopter.ActaAeronauticaetAstro
8、nau.ticaSinica。2013.34(3):474-486.段文搏,昂海松,謗天虢i動(dòng)變形撲翼飛行器的設(shè)計(jì)和風(fēng)潤(rùn)莉力試驗(yàn)研究航空學(xué)報(bào).2013,34(3):474—486段文博等:主動(dòng)變形撲翼飛行器的設(shè)計(jì)和風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)研究主動(dòng)變形撲翼的氣動(dòng)特性與常規(guī)柔性撲翼的區(qū)別,并研究了主動(dòng)變形撲翼升力和推力的主要影響因素。1主動(dòng)變形撲翼飛行器的設(shè)計(jì)1.1鳥(niǎo)類(lèi)身體結(jié)構(gòu)和飛行時(shí)翅膀及尾翼運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究鳥(niǎo)翼結(jié)構(gòu)圖如圖l(a)所示。鳥(niǎo)類(lèi)翅膀骨骼可分為上臂、前臂和手3個(gè)部分。上臂由大而堅(jiān)固的肱骨構(gòu)成;前臂由尺骨和撓骨構(gòu)成(尺骨較粗),在
9、飛行中可以靈活地扭轉(zhuǎn);前肢的手部骨骼(腕骨、掌骨和指骨)愈合或消失[1引。鳥(niǎo)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1(b)所示:肩關(guān)節(jié)是一個(gè)球面副,有3個(gè)自由度;肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)各是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副,各有1個(gè)自由度,肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)只能在機(jī)翼的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)[121;為了模擬前臂的扭轉(zhuǎn),把前臂分成2段,2段之間用轉(zhuǎn)動(dòng)副連接,具有1個(gè)自由度;由此可知對(duì)