蔣國江, 張青斌, 豐志偉

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仿生變形飛行器的飛行特性研究

蔣國江, 張青斌, 豐志偉

1引言

現(xiàn)代飛行器經(jīng)過迅猛的發(fā)展,性能優(yōu)越,盡管如此,隨著人類期望的不斷提高,其越來越難以滿足人類的需求。受鳥類飛行的啟發(fā),變形飛行器的研究已然成為了世界飛行器研究的前沿?zé)狳c。隨著飛行器的小型化、微型化,雷諾數(shù)隨之變小,氣動特性變壞,變形(文中主要指撲翼)飛行器的性能優(yōu)勢越來越明顯。

洛克希德·馬丁公司提出了折疊機(jī)翼方案,如圖1所示。雷聲公司提出了伸縮機(jī)翼方案,如圖2所示。德國FESTO公司甚至做出了高度仿真的海鷗飛行器Smart Bird,如圖3所示。

圖1　折疊機(jī)翼Fig.1　Folding wing

國內(nèi)仿生飛行器的研究起步較晚。南京航空航天大學(xué)的劉瑋[2]研究了折疊翼的動力學(xué)建模與控制;哈爾濱工業(yè)大學(xué)的高飛云[3]做了折疊翼的飛行器建模以及飛行方案優(yōu)化設(shè)計;北京航空航天大學(xué)的張杰、吳森堂[4]基于Kane方法對可變展長、可變后掠角的變體飛行器物理模型進(jìn)行了簡化、建模。并進(jìn)行了動態(tài)特性分析。徐明、余永亮和鮑麟等人[5]則研究了蜻蜓拍翼前飛中模型翼動態(tài)柔性變形的氣動效應(yīng)。

圖2　伸縮機(jī)翼Fig.2　Flex wing

圖3　聰明鳥[1]Fig.3　Smart Bird[1]

本文受到海鷗等鳥類的啟發(fā),分析鳥類及昆蟲的撲翼運動特性,模擬鳥類的撲翼運動規(guī)律,使用渦格法進(jìn)行了撲翼的氣動計算,并采用質(zhì)點彈道學(xué)模型分析了仿生飛行的軌跡特性。

2氣動估算

鳥類以及昆蟲的撲翼飛行是一個周期性運動,進(jìn)而可以簡化為一個簡諧運動。比如文獻(xiàn)[5,6]中,均是以簡諧運動處理。同時,對于鳥類不同的飛行狀態(tài),撲翼的方式也有差別。本文結(jié)合德國FESTO公司的Smart Bird以及一些昆蟲的撲翼規(guī)律,將撲翼規(guī)律簡化為簡諧運動,設(shè)計了撲翼運動路徑，并采用渦格法計算上述周期運動內(nèi)各個飛行狀態(tài)的氣動特性,以便于軌跡特性仿真分析。氣動估算抽取了撲翼過程中的若干狀態(tài),對每個狀態(tài)進(jìn)行氣動估算(如圖4所示),然后對整個周期進(jìn)行擬合[7]。

本文將鳥類的翅膀分解為兩段的多剛體模型,如圖5所示。其中A為機(jī)身,F為尾翼,B、C、D和E均為機(jī)翼;B、C與A之間各有兩個自由度,C、E之間,B、D之間各有一個自由度。如圖5所示為機(jī)翼完全展開狀態(tài)。

圖4　氣動估算方法[7]Fig.4　Method of aerodynamic estimation[7]

圖5　多剛體模型Fig.5　Muti-rigid-body model

在本文的多剛體模型中:尾翼F固定;B、C與A之間各有兩個自由度;C、E之間,B、D之間各有一個自由度。針對如圖5所示的多剛體模型,同時也參考鳥類在平穩(wěn)飛行階段的運動特點,設(shè)計如下變化規(guī)律:

(1)

(2)

(3)

式(1)描述了鳥翼上下?lián)鋭咏嵌鹊倪\動規(guī)律,式(2)和(3)描述了簡化的鳥翼翼弦面的旋轉(zhuǎn)。這兩個角的旋轉(zhuǎn)可以起到調(diào)整攻角的作用。文中機(jī)翼相對機(jī)身的轉(zhuǎn)動角的定義分別如圖6以及圖7所示。

圖6　前視圖Fig.6　Front view

圖7　側(cè)視圖Fig.7　Side view

從仿真結(jié)果中可以看出,在一個運動周期內(nèi),盡管氣動力Fx與Fz有正有負(fù),但主要是正向的前進(jìn)的力,以及向上的升力。本文所設(shè)計、模擬和仿真的撲翼方式,適用于大致10 m/s～18 m/s之間的速度低速飛行。這里需要強(qiáng)調(diào)的是,雖然本文所設(shè)計的撲翼運動與真實的鳥類以及昆蟲的撲翼規(guī)律有所差別,但仍然具有工程應(yīng)用價值。例如,德國FESTO公司制作的高度仿真海鷗,雖然撲翼運動與真實的海鷗有不少差別,但其飛行效果良好,是非常優(yōu)秀的設(shè)計。

圖8　Fx隨時間t變化Fig.8　Curve of Fx-t

3質(zhì)點仿真

忽略鳥類的姿態(tài)運動,采用如下質(zhì)點彈道模型:

圖9　Fz隨時間t變化Fig.9　Curve of Fz-t

(4)

式中,Fx、Fz和G均在慣性坐標(biāo)系下表示,分別表示氣動力、及重力。飛行器初始位置x0=0、z0=0,初始速度vx0=12 m/s、vz0=0;飛行器設(shè)計重量為0.65 kg;時間為撲翼兩個周期,即0.72s。

圖10是飛行器水平方向位移隨時間變化的曲線,圖11是飛行器垂直方向位移隨時間變化的曲線,圖12是飛行器在垂直平面內(nèi)的運動,圖13是飛行器在垂直方向上的速度?？梢婏w行器在撲翼飛行時質(zhì)心位移會產(chǎn)生周期性波動,這種周期性波動,與鳥類飛行現(xiàn)象一致。

圖10　水平方向位移隨時間變化的曲線Fig.10　Curve of X-t

圖11　垂直方向位移隨時間變化的曲線Fig.11　Curve of Z-t

圖12　飛行器在垂直平面內(nèi)的運動曲線Fig.12　Curve of Z-X

圖13　垂直方向速度隨時間變化的曲線Fig.13　Curve of Vz-t

4結(jié)論

本文分析了鳥類及昆蟲的撲翼運動,針對撲翼飛行器的撲翼運動建立模型,采用渦格法進(jìn)行氣動估算,進(jìn)行了單剛體彈道仿真。仿真結(jié)果表明,本文設(shè)計的撲翼運動效果良好,在兩個撲翼周期后,飛行器可以成功地產(chǎn)生推力維持現(xiàn)有的飛行速度;可以成功地產(chǎn)生升力,維持或變動現(xiàn)有的高度。

參考文獻(xiàn):

[1]Festo.Smart bird 2011.http:∥www.festo.com/cms/en_corp/11369.htm

[2]劉瑋.折疊翼飛行器多體動力學(xué)建模與控制[D].南京:南京航空航天大學(xué),2014.

LIU Wei.Multibody dynamic modeling and control ofa folding wing aircraft[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2014.

[3]高飛云.新概念變形飛行器建模與飛行方案優(yōu)化設(shè)計[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

GAO Feiyun.Modeling and optimal flight scheme design of new concept morphing aircraft[D].Harbin:Harbin Institute of Technology,2014.

[4]張杰,吳森堂.一種變體飛行器的動力學(xué)建模與動態(tài)特性分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2015,41(1):58-59.

ZHANG Jie,WU Sentang.Dynamic modeling for a morphing aircraft and dynamic characteristics analysis[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics,2015,41(1):58-59.

[5]徐明,余永亮,麟鮑.蜻蜓拍翼前飛中模型翼動態(tài)柔性變形的氣動效應(yīng)研究[J].中國科學(xué)院研究生院學(xué)報,2006,23(6):729-735.

XU Ming,YU Yongliang.Theoretical modeling study on the aerodynamic effects of dragonfly flexible wing in for ward flappingflight[J].Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,2006,23( 6):729-735.

[6]陳利麗,宋筆鋒,宋文萍,等.柔性撲翼氣動結(jié)構(gòu)耦合特性數(shù)值研究[J].空氣動力學(xué)學(xué)報,2015,33(1):125-133.

CHEN Lili,SONG Bifeng,SONG Wenping,et al.Numerical aerodynamic-structural coupling research for flexible flapping wing[J].Acta Aerodymica Sinica,2015,33(1):125-133.

[7]Parslew Ben.Simulating Avlan Wingbeats and Wakes[D].Manchester:The University of Manchester,2012.

[8]陳利麗,宋筆鋒,宋文萍,等.柔性撲翼全機(jī)氣動結(jié)構(gòu)耦合特性及穩(wěn)定性研究[J].航空計算技術(shù),2013,43(1):32-35.

CHEN Lili,SONG Bifeng,SONG Wenping,et al.Dynamic fluid-structure coupling research for flexible flapping wing[J].Aeronautical Computing Technique,2013,43(1):32-35.

[9]華欣.海鷗翅翼氣動性能研究及其在風(fēng)力機(jī)仿生葉片設(shè)計中的應(yīng)用[D].長春:吉林大學(xué),2013.

HUA Xin.Research on the aerodynamic characteristics of wings of the seagull and the blade design application[D].Changchun:Jilin University,2013.

[10]賀媛媛,王博甲.國外變形飛行器的研究現(xiàn)狀[J].飛航導(dǎo)彈,2013,(10):49-55.

HE Yuanyuan,WANG Bojia.Domestic and international research status of morphing aircraft[J].Aerodynamic Missile Journal,2013,(10):49-55.

[11]陳文元,張衛(wèi)平.微型撲翼式仿生飛行器[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2010.

CHEN Wenyuan,ZHANG Weiping.Micro-mophing bionics-aircraft[M].Shanghai:Profile of Shanghai Jiao Tong University Press,2010.

[12]趙金才.由航天技術(shù)的發(fā)展認(rèn)識仿生科學(xué)的價值[J].中國科學(xué)基金,2006,20(2):90-93.

ZHAO Jincai.Value of bionics recognized through the means of aerospace technology[J].China Academic Journal,2006,20(2):90-93.

[13]Obradovic B,Subbarao K.Modeling of dynamic loading of morphing wing aircraft[C].Atmospheric Flight Mechanics Conference.Toronto,Ontario Canada,2-5 August 2010,2010.

[14]Melin Tomas.A Vortex Lattice MATLAB Implementation for Linear Aerodynamic Wing Applications[D].Sweden:Royal Institute of Technology(KTH),2000.

[15]Meirovitch Leonard,Kwak Moon K.Dynamics and Control of Spacecraft with Retargeting Flexible Antennas[J].Journal of Guidance,Control,and Dynamics,1990,13(2):241-248.

蔣國江(1991-),浙江東陽人,碩士研究生,研究方向為多剛體系統(tǒng)動力學(xué)。

張青斌(1975-),山西大同人,副教授,研究方向為多剛體系統(tǒng)動力學(xué)。

(國防科技大學(xué) 航天科學(xué)與工程學(xué)院,湖南 長沙410073)

摘要：隨著無人飛行器的小型化甚至微型化發(fā)展,撲翼飛行的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn)出來。受鳥類及昆蟲飛行運動的啟發(fā),分析鳥類及昆蟲的撲翼運動特性，設(shè)計了一種鳥類撲翼飛行方式,使用渦格法進(jìn)行了撲翼的氣動計算，并采用質(zhì)點彈道學(xué)模型分析了仿生飛行的軌跡特性。仿真結(jié)果表明,設(shè)計的撲翼運動效果良好。

關(guān)鍵詞：仿生; 變形飛行器; 撲翼; 渦格法

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

基金項目：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研計劃項目(JC-13-04)

中圖分類號：V 211.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A