仿生变形飞行器的飞行特性研究

蒋国江, 张青斌, 丰志伟



仿生变形飞行器的飞行特性研究

蒋国江, 张青斌, 丰志伟

1引言

现代飞行器经过迅猛的发展,性能优越,尽管如此,随着人类期望的不断提高,其越来越难以满足人类的需求。受鸟类飞行的启发,变形飞行器的研究已然成为了世界飞行器研究的前沿热点。随着飞行器的小型化、微型化,雷诺数随之变小,气动特性变坏,变形(文中主要指扑翼)飞行器的性能优势越来越明显。

洛克希德·马丁公司提出了折叠机翼方案,如图1所示。雷声公司提出了伸缩机翼方案,如图2所示。德国FESTO公司甚至做出了高度仿真的海鸥飞行器Smart Bird,如图3所示。

图1　折叠机翼Fig.1　Folding wing

国内仿生飞行器的研究起步较晚。南京航空航天大学的刘玮[2]研究了折叠翼的动力学建模与控制;哈尔滨工业大学的高飞云[3]做了折叠翼的飞行器建模以及飞行方案优化设计;北京航空航天大学的张杰、吴森堂[4]基于Kane方法对可变展长、可变后掠角的变体飞行器物理模型进行了简化、建模。并进行了动态特性分析。徐明、余永亮和鲍麟等人[5]则研究了蜻蜓拍翼前飞中模型翼动态柔性变形的气动效应。

图2　伸缩机翼Fig.2　Flex wing

图3　聪明鸟[1]Fig.3　Smart Bird[1]

本文受到海鸥等鸟类的启发,分析鸟类及昆虫的扑翼运动特性,模拟鸟类的扑翼运动规律,使用涡格法进行了扑翼的气动计算,并采用质点弹道学模型分析了仿生飞行的轨迹特性。

2气动估算

鸟类以及昆虫的扑翼飞行是一个周期性运动,进而可以简化为一个简谐运动。比如文献[5,6]中,均是以简谐运动处理。同时,对于鸟类不同的飞行状态,扑翼的方式也有差别。本文结合德国FESTO公司的Smart Bird以及一些昆虫的扑翼规律,将扑翼规律简化为简谐运动,设计了扑翼运动路径，并采用涡格法计算上述周期运动内各个飞行状态的气动特性,以便于轨迹特性仿真分析。气动估算抽取了扑翼过程中的若干状态,对每个状态进行气动估算(如图4所示),然后对整个周期进行拟合[7]。

本文将鸟类的翅膀分解为两段的多刚体模型,如图5所示。其中A为机身,F为尾翼,B、C、D和E均为机翼;B、C与A之间各有两个自由度,C、E之间,B、D之间各有一个自由度。如图5所示为机翼完全展开状态。

图4　气动估算方法[7]Fig.4　Method of aerodynamic estimation[7]

图5　多刚体模型Fig.5　Muti-rigid-body model

在本文的多刚体模型中:尾翼F固定;B、C与A之间各有两个自由度;C、E之间,B、D之间各有一个自由度。针对如图5所示的多刚体模型,同时也参考鸟类在平稳飞行阶段的运动特点,设计如下变化规律:

(1)

(2)

(3)

式(1)描述了鸟翼上下扑动角度的运动规律,式(2)和(3)描述了简化的鸟翼翼弦面的旋转。这两个角的旋转可以起到调整攻角的作用。文中机翼相对机身的转动角的定义分别如图6以及图7所示。

图6　前视图Fig.6　Front view

图7　侧视图Fig.7　Side view

从仿真结果中可以看出,在一个运动周期内,尽管气动力Fx与Fz有正有负,但主要是正向的前进的力,以及向上的升力。本文所设计、模拟和仿真的扑翼方式,适用于大致10 m/s～18 m/s之间的速度低速飞行。这里需要强调的是,虽然本文所设计的扑翼运动与真实的鸟类以及昆虫的扑翼规律有所差别,但仍然具有工程应用价值。例如,德国FESTO公司制作的高度仿真海鸥,虽然扑翼运动与真实的海鸥有不少差别,但其飞行效果良好,是非常优秀的设计。

图8　Fx随时间t变化Fig.8　Curve of Fx-t

3质点仿真

忽略鸟类的姿态运动,采用如下质点弹道模型:

图9　Fz随时间t变化Fig.9　Curve of Fz-t

(4)

式中,Fx、Fz和G均在惯性坐标系下表示,分别表示气动力、及重力。飞行器初始位置x0=0、z0=0,初始速度vx0=12 m/s、vz0=0;飞行器设计重量为0.65 kg;时间为扑翼两个周期,即0.72s。

图10是飞行器水平方向位移随时间变化的曲线,图11是飞行器垂直方向位移随时间变化的曲线,图12是飞行器在垂直平面内的运动,图13是飞行器在垂直方向上的速度。可见飞行器在扑翼飞行时质心位移会产生周期性波动,这种周期性波动,与鸟类飞行现象一致。

图10　水平方向位移随时间变化的曲线Fig.10　Curve of X-t

图11　垂直方向位移随时间变化的曲线Fig.11　Curve of Z-t

图12　飞行器在垂直平面内的运动曲线Fig.12　Curve of Z-X

图13　垂直方向速度随时间变化的曲线Fig.13　Curve of Vz-t

4结论

本文分析了鸟类及昆虫的扑翼运动,针对扑翼飞行器的扑翼运动建立模型,采用涡格法进行气动估算,进行了单刚体弹道仿真。仿真结果表明,本文设计的扑翼运动效果良好,在两个扑翼周期后,飞行器可以成功地产生推力维持现有的飞行速度;可以成功地产生升力,维持或变动现有的高度。

参考文献:

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蒋国江(1991-),浙江东阳人,硕士研究生,研究方向为多刚体系统动力学。

张青斌(1975-),山西大同人,副教授,研究方向为多刚体系统动力学。

(国防科技大学 航天科学与工程学院,湖南 长沙410073)

摘要：随着无人飞行器的小型化甚至微型化发展,扑翼飞行的优势逐渐显现出来。受鸟类及昆虫飞行运动的启发,分析鸟类及昆虫的扑翼运动特性，设计了一种鸟类扑翼飞行方式,使用涡格法进行了扑翼的气动计算，并采用质点弹道学模型分析了仿生飞行的轨迹特性。仿真结果表明,设计的扑翼运动效果良好。

关键词：仿生; 变形飞行器; 扑翼; 涡格法

Flight Characteristics of Flapping VehicleJIANGGuojiang,ZHANGQingbing,FENGZhiwei

(College of Astronautics Science and Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China)

Abstract：The advantage of flapping flight is appearing gradually as the unmanned vehicle becoming more and more small.Inspired by birds and insects flying,flapping motion characteristic is analyzed,a pattern of flapping flying is designed,and vortex lcttice method is employed to calculate the aerodynamic characteristic flapping motion.Furthermore,the trajectory characteristics of bionics flapping flying is analyzed with particle ballistics model.The simulation results show that the flapping movement is effective.

Key words：bionics; morphing aircraft; flapping wing; vortex lattice method

基金项目：国防科学技术大学科研计划项目(JC-13-04)

中图分类号：V 211.4

文献标识码：A