梁仁輝

摘要：在自然界中有很多昆蟲可以通過高頻率的振動(dòng)自己的雙翅來產(chǎn)生巨大的升力，進(jìn)行自由自在的飛行。人們通過對(duì)其研究，了解到了相關(guān)的非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)機(jī)理和理論。在實(shí)際生活中有很多的仿生學(xué)知識(shí)被應(yīng)用到生活中，便利了人們的生活和出行?；诶ハx的仿生學(xué)相關(guān)人員研制出了撲翼飛行器，并且利用相關(guān)設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)升力裝置的測(cè)試和研究。文章從研究撲翼飛行器出發(fā)，通過研究其升力和撲翼參數(shù)，為之后的研究提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：撲翼飛行器;升力;裝置研究

0 ?引言

撲翼飛行器的撲翼設(shè)置是根據(jù)昆蟲及鳥類的撲展雙翅和振動(dòng)的幅度進(jìn)行研究的。撲翼飛行器和其他的飛行器相比，有著很多優(yōu)點(diǎn)和便利點(diǎn)。在進(jìn)行停歇過程中，可以在短時(shí)間內(nèi)快速停下來，可以進(jìn)行高速的旋轉(zhuǎn)，遇到障礙時(shí)可以快速規(guī)避障礙，這樣的飛行特點(diǎn)其他飛行器時(shí)無法相比的。因此在仿生學(xué)領(lǐng)域撲翼飛行器的設(shè)計(jì)有著非常重要的作用，作為飛行的重要因素之一升力，在撲翼飛行器的裝置測(cè)試中非常重要。

1 ?升力測(cè)試裝置的發(fā)展歷程

在進(jìn)行技術(shù)測(cè)試時(shí)，最常用到的升力測(cè)試系統(tǒng)是由風(fēng)洞、升力測(cè)試裝置和所需測(cè)試的模型一起組成的。在研究中需要進(jìn)行測(cè)試的模型需要牢穩(wěn)的固定到升力測(cè)試裝置上，升力測(cè)試裝置中一般會(huì)裝有機(jī)械平或者應(yīng)變天平，這都為測(cè)試固定提供了技術(shù)支持。需要測(cè)試的裝置和飛行器的模型都需要放置在風(fēng)洞口中，通過風(fēng)速的變化對(duì)測(cè)試機(jī)器進(jìn)行多方面的力能測(cè)試，其中可以測(cè)試裝置的升力、推力、側(cè)向力等多達(dá)六個(gè)方向的力。

這樣的測(cè)試系統(tǒng)早在19世紀(jì)70年代就已經(jīng)在英國建造好了，另外第一臺(tái)機(jī)械天平也被制造出來。這臺(tái)機(jī)械天平主要是為了測(cè)量飛行器的升力和阻力，雖然測(cè)試力的種類有限，但也是一次大突破，大革新。伴隨科學(xué)的進(jìn)步在20世紀(jì)40年代除去機(jī)械天平之外又研制出了臺(tái)式的機(jī)械天平，此時(shí)在進(jìn)行機(jī)械測(cè)試時(shí)可以測(cè)試六個(gè)量，是數(shù)量上有了再次突破。

隨著時(shí)間的推移，由于科技的快速發(fā)展，風(fēng)洞設(shè)置的迅猛突破，應(yīng)變測(cè)量技術(shù)開始大顯身手，應(yīng)變天平得到了大力的發(fā)展和應(yīng)用。到了20世紀(jì)60年代中期，風(fēng)洞天平的發(fā)展已經(jīng)到了成熟階段，相應(yīng)的天平技術(shù)也有了發(fā)展，并且在低速的風(fēng)洞測(cè)量中被廣泛應(yīng)用。伴隨著應(yīng)變天平的發(fā)展成熟，又出現(xiàn)了壓電天平、應(yīng)力波天平等，很多撲翼飛行器都會(huì)在亞聲速的情況下進(jìn)行飛行。因此應(yīng)變天平得到了非常多的應(yīng)用。

2 ?升力測(cè)試裝置的研究現(xiàn)狀

在進(jìn)行飛行器裝置的測(cè)試中，需要測(cè)量的種類不會(huì)過多因此應(yīng)用三分量的機(jī)械天平有些大材小用，相應(yīng)的二分量機(jī)械天平應(yīng)運(yùn)而生，二分量機(jī)械天平可以測(cè)量裝置的升力和阻力。在設(shè)備的研制過程中，有人提出了腹撐迎角式的風(fēng)洞天平們可以從多個(gè)角度進(jìn)行升力和阻力的測(cè)試。

很多情況下進(jìn)行撲翼飛行器的升力測(cè)量不會(huì)一次進(jìn)行六個(gè)分量的測(cè)試，人們根據(jù)實(shí)際需要研制出了可以測(cè)量升力Y，測(cè)量阻力X的單分量天平以及可以同時(shí)測(cè)量XY的二分量天平和測(cè)量XY俯仰力矩MZ的三分量天平。講到的這些天平和傳統(tǒng)的應(yīng)變天平不一樣，他可以將模型和測(cè)量裝置連接起來，將實(shí)驗(yàn)裝置組合成一個(gè)整體，可以進(jìn)行靜止?fàn)顟B(tài)下和有風(fēng)力狀態(tài)下的不同測(cè)量，但是數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度方面還有提升的空間。

在進(jìn)行實(shí)際撲翼飛行器升力裝置測(cè)量中，身在南京航空航天大學(xué)的昂教授和他的團(tuán)隊(duì)通過非定常渦格法的計(jì)算對(duì)研制出來的仿生鳥的撲翼振動(dòng)進(jìn)行了研究和分析，在進(jìn)行空氣動(dòng)力測(cè)試的過程中，用專門研制出來的六分量用天平進(jìn)行了測(cè)試。六分量天平有著較高的測(cè)量精確度，得出的數(shù)據(jù)有極高的科學(xué)性。此外，西北大學(xué)的研究室采用二分量的天平對(duì)撲翼飛行器的升力和阻力進(jìn)行了測(cè)試，此次裝置測(cè)量將所需要測(cè)量物品放到了天平上，并且進(jìn)行了靜止?fàn)顟B(tài)和動(dòng)態(tài)的雙向測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)過程中，不光有機(jī)械天平和應(yīng)變天平進(jìn)行測(cè)量，在科技的快速發(fā)展下，還有其他的測(cè)量方法，有人就用風(fēng)力傳感器的升力和阻力測(cè)試裝置對(duì)果蠅這種小昆蟲進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。遠(yuǎn)在美國的研究人員通過2D的力傳感器和應(yīng)變計(jì)組成的測(cè)試裝置對(duì)在油罐中的機(jī)械翅進(jìn)行了測(cè)量，并由此得出了昆蟲提高升力的方法和應(yīng)用措施。

東南大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)主要進(jìn)行研究的就是柔性翅，并在自己研制出來的氣動(dòng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了升力和阻力的實(shí)驗(yàn)。這次實(shí)驗(yàn)的主要目的是給柔性翅的物品研制提供理論支持和研究書庫。除此之外西北大學(xué)的相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)們利用微型飛行器的專用風(fēng)洞，把需要測(cè)量的撲翼飛行器放在風(fēng)洞中，之后進(jìn)行風(fēng)力的傳感，利用壓力傳感器的測(cè)量平臺(tái)在進(jìn)行風(fēng)速控制的前提下研究撲翼振動(dòng)的頻率風(fēng)速等，通過研究了解這些因素對(duì)撲翼機(jī)產(chǎn)生升力大小的影響，并且應(yīng)用示波器來研究撲動(dòng)翼撲動(dòng)時(shí)做出的角度和升力大小之間存在的聯(lián)系。學(xué)術(shù)界相關(guān)人員對(duì)于撲翼裝置的升力測(cè)試裝置都有著很大的興趣，除此之外西北大學(xué)的研究人員研制出了一種綜合性的測(cè)驗(yàn)平臺(tái)，可以將撲翼飛行器在進(jìn)行上下?lián)鋭?dòng)、前后撲動(dòng)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下產(chǎn)生的氣動(dòng)力進(jìn)行轉(zhuǎn)變，通過不同的氣動(dòng)力調(diào)試可以得出不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，增加最終數(shù)據(jù)的真實(shí)性，有一點(diǎn)限制就是此裝備實(shí)驗(yàn)只能在風(fēng)洞中完成。有進(jìn)步就有突破，在安徽工業(yè)大學(xué)就有研究人員研制出了仿生的撲翼飛行器升力測(cè)試裝置，這種裝置可以脫離風(fēng)洞，不需要風(fēng)洞的參與就可以完成實(shí)驗(yàn)，可以通過角位移的傳感設(shè)備完成對(duì)裝置的升力測(cè)試，有所限制的是在當(dāng)前情況下，想要用此裝置進(jìn)行除了升力之外的力的研究可需要在進(jìn)行研究，此項(xiàng)設(shè)備還有很大的提升空間，但是能脫離風(fēng)洞進(jìn)行實(shí)驗(yàn)已經(jīng)是一個(gè)很大進(jìn)步。

通過對(duì)眾多學(xué)校和研究人員進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜合和整理，可以知道很多實(shí)驗(yàn)都是基于風(fēng)洞進(jìn)行的，這樣的實(shí)驗(yàn)在操作過程中會(huì)使用到機(jī)械天平等裝置，雖然最終得出的結(jié)果精確度高，實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性好但是整體實(shí)驗(yàn)操作過程復(fù)雜，需要花費(fèi)的資金過于龐大，無法靈活的應(yīng)用。雖然也有一些裝置可以進(jìn)行撲翼飛行器的升力測(cè)試，但是適應(yīng)范圍小或者只能停留在原地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一旦有大規(guī)模的飛行裝置就無法進(jìn)行測(cè)試。我們可以了解到升力測(cè)試的設(shè)備是跟隨撲翼飛行器的發(fā)展而研制出來的，因此撲翼飛行器的發(fā)展程度和發(fā)展速度會(huì)直接影響升力測(cè)試裝置的發(fā)展，相關(guān)專業(yè)人員想要對(duì)升力測(cè)試裝備進(jìn)行研究，就要加大研究范圍，同時(shí)進(jìn)行或前后進(jìn)行撲翼飛行器的研究和大范圍內(nèi)升力測(cè)試設(shè)備的研究。讓兩者齊頭發(fā)展。很多新型的撲翼飛行設(shè)備出現(xiàn)，相應(yīng)的就會(huì)出現(xiàn)升力及阻力甚至更多分力的測(cè)試裝置，對(duì)這些裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的仿真測(cè)試可以很大程度提高實(shí)驗(yàn)真實(shí)性和準(zhǔn)確性，保障實(shí)驗(yàn)過程的順利發(fā)展。

3 ?結(jié)語

撲翼飛行器的構(gòu)建需要解決升力和其本身的質(zhì)量矛盾才可以進(jìn)行飛行，很多撲翼飛行器大都有尺寸小速度慢的特點(diǎn)，很多仿生學(xué)設(shè)備在制作完成以及改進(jìn)過程中會(huì)進(jìn)行無數(shù)次的裝置測(cè)試。本文基于撲翼飛行器的形成，應(yīng)用升力測(cè)試裝置進(jìn)行了多方面的測(cè)量和數(shù)據(jù)分析。根據(jù)升力測(cè)試裝置的發(fā)展歷程我們明白科技在進(jìn)步，相應(yīng)的測(cè)量裝置也越來越先進(jìn)，測(cè)量數(shù)據(jù)越來越準(zhǔn)確。為了將升力測(cè)試裝置有更好的發(fā)展前撐，相關(guān)工作人員要加大研究力度，促進(jìn)升力測(cè)試裝置的精確度，還有很多方面的撲翼飛行器升力測(cè)量無法進(jìn)行測(cè)量，這都需要我們的共同努力，為日后的數(shù)據(jù)分析提供有力支持。

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