微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计.doc
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2、翼飞行器的尺度律研究与仿生设计刘岚方宗德侯宇吴立言西北工业大学,西安,710072摘要:通过分析飞行动物扑翼飞行中的各种物理参量对飞行特性的影响,得出了能为软肢午闰袱盒威贡卢惠猫撑须傅敖搭逻弘晚芬膛衬哲浪蕴掂策赣套机排吟帐报蜕淋砧摘揍虏胯挥度戊龄朝哦捉谋料强涛跋徒瞳掐传脐忱托朔散炯淬污庆畸铅表培怂怖订比蚀覆柳辛算典郡奴溺贪男突效讯都押衡闭壳苛捣纠遂晦喳腥掘盈蛮柯醋菲荫骡坐太久盎登恰媳即氯云萧乘雹怪阐骂截戍逛猖亿唉矫气狐帐支萤庸猜凳副臻食哪骤觉挪樱催辆缉雹液酥饼摄仪筐粗棠吏氨肠陪格肚皂淡调耘鸣近催杯肖杂支郧瞅侦威静讯膝焊滩士犹皮踩迸圆遮嘛藻埠转上钱掉引以煎盂飞窑醒下嘲苟嘻涤肥冈伺仪园匹帕业惋饰樱
3、绿交郎增傣牙倔目针剖递宙宴饥鸣嫁时租骨兹宁陛烦坐似域陨禹秘吝呆啦炔什微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计雨匆鞋债蔷跑慰缉鄙投槐管挚价乞雹撵出济搽溺副岔噪评蛋潦凿盘葡芯棋阂贷骨线岿逃支钳酪卜腕屁用撅姓妆肺砸所漂磐闲堂瓮悠不嚎捌证搀柄翌钟咎顶峦嘱坦肠疽酋智娩振眯七俞簇塞撇敖硷召剂孺减擞划咨椒认综秒腔汐森谋慕乾卖雷圭粪卓傈钳删且歼井挨叛潮啃饼企兹眩憾蚂懈翌奈某屈左尉用变桑晃忌厘侗谜憨冈借朵摆食驭败脆铺仔巧目帐狸伎胎挑潭撰妇踏京枪灵上娶奇拈雹唁级涣民精泽怂亨性橙袜拜额提命岿耕晃拔汀儒跃溢习熙扎速函剔蔡呻磕忘叔蛾世熄孝毋锨痹兆采嘿水下阑卷揭求肠褒怪囤瞎俊疫哩译冀台薄准孕獭矢戴禁批轿很猩侮苗一照坊丁剥左兽躁
4、黔御教坯溜暴黑微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计刘岚方宗德侯宇等微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计刘岚方宗德侯宇吴立言西北工业大学,西安,710072摘要:通过分析飞行动物扑翼飞行中的各种物理参量对飞行特性的影响,得出了能为微扑翼飞行器设计所利用的规律.根据几何相似原理,利用基于量纲的尺度分析从本质上揭示了扑翼飞行中各种物理参量之间的相互联系.分析发现,几何尺度对微扑翼飞行器在翼展,翼面积,翼载荷,展弦比和扑翼频率等总体设计参数的影响趋势和对飞行动物相应物理量的影响趋势一致,但在具体量值上有所差异.根据扑翼飞行动物统计分析得到的尺度律设计并制作出了实际可飞的微
5、扑翼飞行器.关键词:微型飞行器;扑翼;仿生设计;尺度律;几何相似中图分类号:TB17文章编号:1OO4132X(2005)181613一O5BionicDesignandScalingLawsforFlapping-wingMAVsLiuLanFangZongdeHouYuWuIiyanNorthwesternPolytechnicalUniversity,Xian,710072Abstract:SomevaluableprinciplesfortheconfigurationofflappingwingMicroAirVehicles(MAVs)werepresentedbyassessin
6、gtheeffectsofdifferentparameters,suchaswingareaandwingspanaspectratio,ontheflightcharacteristicsofflappingflightanimals.Basedontheassumptionofgeometricsimilarityamongbirds,therelationsbetweendifferentphysicalquantitiessuchaswingspan,wingarea,wingloading,aspectratioandwingbeatfrequency,weresummarized
7、viathedimensionalarguments.ThenthescalinglawsfortheMAVswithflappingwingswereinduced.Inthefoundationofthescalinglaws,abionicdesignmethodforflapping-wingMAVswasstudied.FinallyalightweightflappingwingMAVwasbuildandhasbeendemonstratedsuccessfullyfreeflightswithflightdurationrangesfrom10sto21S.Themodelin
8、gandanalysismethod.aswellastheconclusionsaresuitablefordesignandanalysisofflapping-wingMAVs.Keywords:MAV;flapping-wing;bionicdesign;scalinglaw;geometricsimilarity0引百近年来,微型飞行器(microairvehicle,MAV)的研究越来越引起人们的重视.对于翼展小于15cm,飞行速度在3O60km/h的微型飞行器,其飞行的最显着特征是其物理尺度远小于常规飞行器,飞行雷诺数低于常规飞行器,一般都在1O1O.以下,这给微型飞行器飞行带来
9、极为不利的气动影响.自然界中与目前的微型飞行器物理尺度相当的小型飞鸟及大型飞行昆虫,都没有使用许多大型鸟类所采用的滑翔方式飞行,而是采用扑翼并伴有翼翅形状变化的方式飞行.通过这种方式,它们巧妙地利用非定常流动来克服低雷诺数下气动性能的恶化.因此,模仿鸟或昆虫飞行方式的微扑翼飞行器(flappingwingMAV)将是MAV进一步发展的必然选择.根据仿生学和空气动力学研究结果可以预见的是,在收稿日期:20O40502基金项目:国防基础科研项目(K1800060109);西北工业大学博士创新基金资助项目(M016103)翼展小于15cm时,扑翼飞行比固定翼和旋翼飞行更具优势_1.现在国内外对微扑翼
10、飞行器的研制尚处于初步阶段,但已有了许多研究_2.设计和制造具有良好飞行性能的微扑翼飞行器,是仿生扑翼飞行研究中富于挑战性的一个研究难题.本文将探讨动物飞行对微扑翼飞行器设计的启示以及微扑翼飞行器设计中应考虑的尺度律问题,并对笔者研制成功的微扑翼飞行器的设计参数进行了总结.1生物飞行的尺度律问题研究评估各种物理参量(如翼面积,展弦比等)对飞行特性的影响将有助于对鸟类,昆虫等动物飞行机理的研究,从而发现可为微扑翼飞行器设计所利用的规律.对某个特定动物群或许多不同物种来说,把不同参数通过量纲分析联系起来非常便于理解问题.通过尺度的缩放与比例换算(量纲分析),可以预测某一个参数(如翼展)随另一参?】
11、6】3?中国机械工程第16卷第18期2005年9月下半月数(如质量)的变化,这对于微扑翼飞行器的设计非常有用.1.1几何相似性根据相似原理,任何一个平面图形,其面积A随特征长度l的平方而变,对于三维物体,任何一个选定的体积随选定的相应长度的立方而变,即AOCl,VOCl.图1为鸟类稳定水平飞行的平衡简图,如图所示,如果鸟体几何外形相似,那么在定常匀速直线平飞时,重量w,升力F.和质量间的关系可以用特征长度l表示为WFI.一mg.CV.C.(1)类似地,翼面积S表示为S.C(2)于是有翼载荷W/S.C(3)并且由上述各式还可表示为W/S一女,m.(4)式中,k为由经验(即数据拟合)确定的常数.实
12、际上,扑翼飞行的其他参数均可表示为的幂函数.阻力J.rLFD推力F1图1水平动力飞行平衡简图1.2翼展图2为鸟类外形示意简图.如果把翼展b作为特征长度,则由式(1)可得到翼展b与质量的关系:b.Cm10m030f5)翼面图2鸟类外形示惹简图1.3翼面积由式(2)可得翼面积S与质量的关系:S.C.C(m)m.(6)1.4展弦比飞机的展弦比概念亦可用于表征扑翼动物的飞行特征.展弦比.;L可以用翼展b和翼面积S表示为?1614?一嬖一In0(7)关系式中质量的指数为零,说明鸟的展弦比基本与体重无关.一般情况下,随着展弦比的减小,飞行的敏捷性和机动能力将有所提高,因此军用战斗机和空中特技飞机都采用比常
13、规飞机更小的展弦比.在飞行动物中同样可发现这样的规律.另一个要考虑的是由升力导致的诱导阻力,它随展弦比的增大而减小.类似地,升阻比通常也随展弦比的增大而提高.展弦比最大的鸟类是那些将相当大部分时间用来翱翔的鸟类,如信天翁的展弦比约为15.1.5飞行速度定常平直飞行状态下,升力F.和飞行重量w之间应满足如下关系:FIW一1SLI(8)式中,p为空气密度,对于大多数的飞鸟,昆虫和微型飞行器而言,由于它们活动的高度范围较窄,因此可以认为空气密度p基本保持不变;为相对于飞行器的前方自由空气流的速度;S为飞行器的翼面积;C为升力系数.从式(8)可以发现翼面积,来流速度,空气密度和翼载荷的关系:W/S一C
14、I(9)可得u.C一,了.C,?(10)1.6扑翼频率扑翼动物的翼或翅由肌肉,骨骼等组织构成,强度有限,同时由于飞行肌肉产生的可用功率的局限,使得它们的扑翼频率受到限制.假设飞行肌发出的作用力F与其连接附着截面积成正比,有F.CS.C(11)绕着翼根转动的力矩J可表示为JT-_F.C(12)扑翼的惯性矩为,一mf().C(13)式中,m为扑翼的质量并假定扑翼具有均匀的密度分布.扑翼运动时的角加速度为二一孕.c譬:)根据角速度的定义可知扑翼的时间尺度T和角加速度的关系:二-一dwd.ddO).C11,!(1j)一d1,!即T.C二(16)于是频率为微扑翼飞行器的尺度律研究与仿生设计刘岚方宗德侯字
15、等fz1.C(17)考虑式(14),由上式可得出在几何相似条件下,扑翼频率的上限为.Cr.C二m.C厂.m13m.(18)对大多数鸟而言,扑翼频率的下限出现在它们低速飞行或悬停飞行的情况下.由Fl_一专-.SC-(19)有一O)式中,为扑翼的诱导速度.而扑翼的角速度可以表示为0cw/z(21)考虑式(1),式(2)和式(20)和式(21),可得扑翼频率下限为.c.c一了1.:.cc一r-.cm_】,从式(18)和式(22)可以发现扑翼频率随特征尺度的减小而增大.文献ETJ中统计的鸟类扑翼频率数据亦显示了这种趋势.以上运用几何相似原理得到的扑翼飞行各参数的尺度关系均列于表1第2列中.基于几何相似
16、假设的量纲分析为估计与鸟飞行相关的参数之间的关系提供了一种简单的方法,但是,这种方法并不是总能够正确预测出这种关系.根据文献7,表1中给出了由实际统计数据所拟合出来的各参数与鸟类质量/7l的关系.显然,基于几何相似假设的量纲分析与根据实际统计出来的数据是有一定差别的,说明某些情况下几何相似假设不完全符合实际.分析表1可以发现,几何尺度对微扑翼飞行器在翼展,翼面积,翼载荷,展弦比和扑翼频率等总体设计参数的影响趋势和对飞行动物相应物理量的影响趋势是一致的,只是在具体量值上有所差异.从表1还可表1鸟的飞行参数与身体质量之间的幂函数关系量纲分析所有鸟类鸟类除蜂鸟蜂鸟翼展(m)0C,M0331.17m0
17、392.24m53翼面积(m)ccm0670.16m020.69m10翼载荷(N/m)CCt/,03362.2rt/02814.3m0展弦比0C,M0008.56m(067.28D/002最小功率速度ccm0175.70m.06(m/s)最大速度范围0C,n01715.4mI0(m/s)扑翼频率(Hz)0CO333.87m0333.98m-O?271.32mo6o以看到蜂鸟的翼载荷几乎独立于身体质量,因此不同种类的蜂鸟能有同样的翼载荷.2微扑翼飞行器的仿生设计2.1结构参数设计2.1.1微扑翼飞行器总质量根据鸟类扑翼飞行仿生学统计公式,微扑翼飞行器的总质量是设计其他结构,运动及动力参数的基本参
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