仿生驅(qū)鳥撲翼機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與氣動(dòng)力研究

王嘉鑫 彭思逸 胡銘薇 蘭浩原 杜智強(qiáng)

摘要：基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)仿生撲翼機(jī)作為新型飛行器的一種，具有旋翼飛行器以及固定翼的優(yōu)勢(shì)，飛行能力出色，能夠滿足多種飛行模式的要求?；诖?，本文通過(guò)對(duì)撲翼機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析，簡(jiǎn)單分析了氣動(dòng)力的特性。以期能夠?yàn)閾湟頇C(jī)設(shè)計(jì)和分析提供一定參考。

關(guān)鍵詞：仿生撲翼機(jī);仿生學(xué);撲翼機(jī)結(jié)構(gòu);氣動(dòng)力

引言：

仿生撲翼機(jī)通過(guò)對(duì)鳥類飛行的模擬設(shè)計(jì)新型飛行器，和常規(guī)固定翼不同，飛行器具有較高升力，通過(guò)不斷拍打、擺動(dòng)、扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力和升力，保持持續(xù)飛行滯空。通過(guò)對(duì)機(jī)翼拍打角的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的飛行軌跡，具有較高飛行效率。撲翼機(jī)起飛、懸停速度快，具有更高的隱蔽性，在民用和國(guó)防領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用前景。

一、仿生驅(qū)鳥撲翼機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）單自由度撲翼機(jī)構(gòu)

最常見的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為單自由度機(jī)構(gòu)，其中包括搖桿滑塊、雙曲柄雙搖桿以及單曲柄雙搖桿三類：（1）搖桿滑塊：通過(guò)滑塊或者滑桿的上下運(yùn)動(dòng)，對(duì)兩側(cè)搖桿帶動(dòng)做對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。凸輪根據(jù)撲翼規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)，即可撲動(dòng)。但由于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，很難減小占地面積，長(zhǎng)期運(yùn)行后受到摩擦影響造成較大磨損，設(shè)備效率較低，主要在低速飛行條件下應(yīng)用。（2）單曲柄雙搖桿：主要應(yīng)用于微型飛行器中，作為典型四桿機(jī)構(gòu)，使用驅(qū)動(dòng)曲柄對(duì)搖桿起到帶動(dòng)作用形成上下?lián)鋭?dòng)。機(jī)構(gòu)重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地面積小，在仿昆蟲型撲翼飛行器中應(yīng)用。但由于兩側(cè)搖桿相位差，很難對(duì)稱運(yùn)動(dòng)，無(wú)法保證兩側(cè)氣動(dòng)力平衡，存在較高墜機(jī)風(fēng)險(xiǎn)[1]。（3）雙曲柄雙搖桿：采取上下對(duì)稱撲動(dòng)，保證平穩(wěn)撲動(dòng)，具有較高對(duì)稱性，無(wú)相位差。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占地面積和質(zhì)量較大，主要在中大型飛行器中使用，或者對(duì)于較高穩(wěn)定性要求的飛行器中應(yīng)用。

（二）多自由度撲翼機(jī)構(gòu)

多自由度撲翼機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，主要在大型飛行器中使用。撲翼機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)特定組合優(yōu)化后可以滿足扭轉(zhuǎn)、撲動(dòng)等復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡。目前主要分為空間機(jī)構(gòu)型以及獨(dú)立驅(qū)動(dòng)型?？臻g機(jī)構(gòu)型通過(guò)空間機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多自由度的撲翼運(yùn)動(dòng)形式，從平面結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)演化得來(lái)，可以達(dá)到扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜軌跡。主要采取球形鉸接，對(duì)稱運(yùn)動(dòng)。但驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，只能重復(fù)進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，無(wú)法進(jìn)行更改。獨(dú)立驅(qū)動(dòng)型由單片機(jī)控制揮拍、撲動(dòng)和扭轉(zhuǎn)等動(dòng)作，對(duì)運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行控制，各個(gè)模型之間無(wú)干擾，主要應(yīng)用于撲翼實(shí)驗(yàn)中，在研究撲翼流暢特征上具有突出優(yōu)勢(shì)。

（三）驅(qū)鳥撲翼機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)仿生學(xué)原理，連桿機(jī)構(gòu)按照鳥類骨骼進(jìn)行設(shè)計(jì)，模擬其運(yùn)動(dòng)原理，實(shí)現(xiàn)機(jī)翼的折疊運(yùn)動(dòng)以及撲動(dòng)。使用雙段撲翼機(jī)構(gòu)對(duì)鳥類翅膀進(jìn)行模擬，撲翼使用兩段骨骼關(guān)節(jié)連接，對(duì)第二段撲翼?yè)鋭?dòng)進(jìn)行控制，第一段連桿采取平行模式模擬鳥類直接肌的收縮，通過(guò)第一段桿對(duì)第二段桿起到牽動(dòng)作用實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。兩段桿結(jié)構(gòu)對(duì)骨骼關(guān)節(jié)桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，組成四邊形結(jié)構(gòu)，利用四邊形特征避免桿卡制的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)撲翼折疊。和雙曲柄雙搖桿對(duì)比，可以保證兩側(cè)撲翼同步運(yùn)動(dòng)和折疊運(yùn)動(dòng)，可以滿足飛行要求，減少上撲受到的氣動(dòng)阻力。由于采取平面連桿機(jī)構(gòu)，可以穩(wěn)定運(yùn)行，具有較高傳動(dòng)效率，滿足仿生撲翼機(jī)飛行的要求。

二、仿生驅(qū)鳥撲翼機(jī)結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力

分析撲翼機(jī)氣動(dòng)力主要使用C語(yǔ)言、Fluent以及Gambit程序進(jìn)行。由于機(jī)翼?yè)鋭?dòng)頻率低，在默認(rèn)空氣密度一致的條件下，使用Fluent中隱式分離求解器，由于撲動(dòng)過(guò)程中流場(chǎng)參數(shù)未發(fā)生改變，使用三維網(wǎng)格模型求解。流體參數(shù)設(shè)定為常數(shù)1.225kg/m3。啟用動(dòng)網(wǎng)格后，選擇局部網(wǎng)格重劃以及彈簧光滑模型，設(shè)定彈簧彈性系數(shù)（0-1）、邊界點(diǎn)松弛因子（0-1）、重劃網(wǎng)格（0，0，1）。在模擬中機(jī)翼運(yùn)動(dòng)使用C語(yǔ)言模擬，F(xiàn)luent可實(shí)現(xiàn)特定動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，包括撲動(dòng)和俯仰運(yùn)動(dòng)。在計(jì)算前預(yù)覽網(wǎng)格更新效果，避免計(jì)算中出現(xiàn)網(wǎng)格更新問(wèn)題。對(duì)氣動(dòng)力進(jìn)行模擬分析，當(dāng)純撲動(dòng)條件下，升力系數(shù)最大值為1，平均升力系數(shù)均較小，表示在純撲動(dòng)條件中剛性翼不會(huì)產(chǎn)生升力[2]。在俯仰+撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)模式中，升力系數(shù)的最大值超過(guò)1，表示撲翼機(jī)的升力明顯提高，阻力系數(shù)有顯著降低。若平均阻力系數(shù)<0，表示在該條件下?lián)湟頇C(jī)產(chǎn)生推力，對(duì)于提高飛行效率有重要意義。

鳥類飛行中，翅膀在延展方向上存在扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，讓鳥類的飛行效率得到提高。撲翼機(jī)飛行受到撲動(dòng)模式的影響。主要包括：

（1）來(lái)流速度。鳥類飛行時(shí)存在初速度，受到不同風(fēng)速和風(fēng)向的影響，升力系數(shù)和阻力系數(shù)發(fā)生一定改變。隨著來(lái)流速度的增加，升力系數(shù)逐漸提高，而阻力系數(shù)則先降低后增加。在無(wú)風(fēng)條件下，機(jī)翼扭轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生向前推力，幫助撲翼機(jī)起飛。隨著來(lái)流速度的升高，飛機(jī)阻力增加，升力降低，撲翼機(jī)不利于飛行或者無(wú)法飛行。

（2）仰角。仰角是指相對(duì)氣流方向和翼弦的夾角，仰角大小會(huì)影響飛行升力，且仰角存在一定范圍。當(dāng)仰角逐漸增大時(shí)，升力系數(shù)表現(xiàn)為先增大后降低，阻力系數(shù)表現(xiàn)為先減小后增大。機(jī)翼選擇最合適的仰角時(shí)，可以獲得良好的氣動(dòng)特性。

（3）撲動(dòng)頻率。鳥類撲動(dòng)頻率處于不斷變化中，尤其是小型鳥類撲動(dòng)頻率更高。由于仿生機(jī)翼體積較大，撲動(dòng)頻率低，當(dāng)其他條件保持不變是，隨著撲動(dòng)頻率的增加，升力系數(shù)不斷增加，阻力系數(shù)不斷變小，推力增加。由于撲翼機(jī)體積重量大，慣性力更大，能耗高，對(duì)于撲動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)需要以實(shí)際飛行需求為主，同時(shí)節(jié)約能耗，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間滯空。

（4）飛行角度。當(dāng)機(jī)身角度增加時(shí)，升力系數(shù)逐漸升高，但增幅較小。阻力系數(shù)先減小后增加。撲翼飛行升力主要由撲翼下?lián)鋵?shí)現(xiàn)。當(dāng)機(jī)身角度為0，阻力系數(shù)最小，更有利于降低飛行阻力;當(dāng)機(jī)身角度存在一定仰角，可提高起飛升力。

結(jié)論：綜上所述，撲翼機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括單自由度撲翼機(jī)構(gòu)、多自由度撲翼機(jī)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)的驅(qū)鳥撲翼機(jī)結(jié)構(gòu)可以有效滿足應(yīng)用需求，補(bǔ)充傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺陷，優(yōu)勢(shì)明顯。在設(shè)計(jì)撲翼機(jī)上氣動(dòng)力分析十分關(guān)鍵，通過(guò)分析撲動(dòng)規(guī)律和環(huán)境對(duì)于氣動(dòng)力產(chǎn)生的影響，可以發(fā)現(xiàn)折疊運(yùn)動(dòng)有利于改善氣動(dòng)力，滿足不同飛行軌跡對(duì)于撲翼機(jī)的要求。未來(lái)還需要在結(jié)構(gòu)和重量上進(jìn)一步優(yōu)化，降低能耗，優(yōu)化撲翼機(jī)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]傅雅寧，趙世恒.仿生蜻蜓撲翼飛行器模型設(shè)計(jì)與氣動(dòng)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2021，38（10）：79-87.

[2]馬程，熊曉松，吳昊，等.撲翼機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2020（14）：27-29.