仿鷹撲翼飛行器設(shè)計及多飛行模式研究

　　摘要：仿鷹撲翼飛行器指的是將飛行器機(jī)翼仿照鷹的翅膀來進(jìn)行設(shè)計，從而使機(jī)翼通過主動運(yùn)動來產(chǎn)生飛行的動力。本文首先對仿鷹撲翼飛行器進(jìn)行了分析和研究;其次，對仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計;接著，對多飛行模式仿鷹撲翼氣動特性進(jìn)行了分析;最后，進(jìn)一步優(yōu)化了仿鷹撲翼飛行器多飛行模式。

　　關(guān)鍵詞：仿鷹撲翼飛行器;設(shè)計研究;多飛行模式

　　本文源自《科學(xué)與技術(shù)》雜志是經(jīng)國家新聞出版總署批準(zhǔn)，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會、新疆阿勒泰地區(qū)科協(xié)主管，新疆阿勒泰地區(qū)科協(xié)主辦的學(xué)術(shù)性期刊。

　　引言：隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，仿生學(xué)原理在機(jī)翼設(shè)計工作中應(yīng)用的越來越廣泛，仿鷹撲翼飛行器是目前較為主流的一種機(jī)翼結(jié)構(gòu)，可以為飛行器提供更多的動力。基于此，對于仿鷹撲翼飛行器的多飛行模式設(shè)計要不斷進(jìn)行研究和優(yōu)化，充分考慮多飛行模式仿鷹撲翼的氣動特性，進(jìn)而對其進(jìn)行更加完善的設(shè)計。

　　1仿鷹撲翼飛行器的研究

　　1.1鷹的翅翼結(jié)構(gòu)

　　仿鷹撲翼飛行器就是依靠仿生學(xué)原理，來將機(jī)翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計為鷹的翅膀的形態(tài)，從而為飛行器提供更多的動力。因此，在進(jìn)行仿鷹撲翼飛行器的設(shè)計時，首先要對鷹的翅膀結(jié)構(gòu)，以及鷹的飛行方式進(jìn)行充分的研究。根據(jù)對于鷹的觀察，可以發(fā)現(xiàn)鷹在飛行時，其翅膀展長較長，并且可以分成內(nèi)段翅膀和外段翅膀兩個部分，整體的飛行形式可以概括為：鷹在飛行的起始階段，先進(jìn)行撲動翅膀，然后通過折彎翅膀的方式來進(jìn)行加速;在改變飛行方向時，鷹常常通過扭轉(zhuǎn)翅膀來進(jìn)行，因此，可以說鷹的整個飛行過程具有協(xié)同運(yùn)動的特點。所以對于仿鷹撲翼飛行器的設(shè)計，要根據(jù)鷹的飛行特點設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

　　1.2氣動特性與飛行參數(shù)

　　鷹在不同的環(huán)境下，其飛行模式也是在不斷變化的，其中最為主要的研究目標(biāo)就是鷹的起飛、加速以及降落三個階段。首先，鷹在起飛時，身體會產(chǎn)生較大的仰角，并快速撲動翅膀來向上飛行，此時，飛行的上升力必須要超過鷹自身的重力，因此在設(shè)計仿鷹撲翼飛行器時，要充分考慮上升阻力。其次，鷹在正常的飛行狀態(tài)下，翅膀的撲動幅度小、頻率低，且翅膀與身體的夾角也比較小，從而降低了在飛行過程中所遇到的阻力，因此，在設(shè)計仿鷹撲翼飛行器時，要確保飛行器具有較小的阻力和較高的飛行效率。最后，在鷹降落的過程中，其翅膀會快速進(jìn)行頻率高、幅度大的撲動，通過與空氣進(jìn)行摩擦產(chǎn)生阻力，進(jìn)而減緩自身的飛行速度。基于此，在對仿鷹撲翼飛行器時進(jìn)行設(shè)計時，對于機(jī)翼的撲動頻率、夾角、扭轉(zhuǎn)角、飛行阻力等因素都要進(jìn)行充分考慮。

　　2仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　2.1仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

　　仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)鷹的飛行模式為設(shè)計原理來進(jìn)行的，因此在設(shè)計時要充分考慮鷹的飛行習(xí)慣。首先，仿鷹撲翼飛行器的機(jī)翼可以必須可以滿足撲動、折疊、扭轉(zhuǎn)等多種形式的調(diào)節(jié)，并為每個調(diào)節(jié)的角度都制定合理飛參數(shù);當(dāng)仿鷹撲翼飛行器在不同飛行模式下的運(yùn)動頻率發(fā)生變化時，要對其運(yùn)動周期進(jìn)行一個合理的規(guī)劃。其次，仿鷹撲翼飛行器的翼展尺寸、展弦比需要根據(jù)仿生結(jié)構(gòu)原理來進(jìn)行規(guī)劃，嚴(yán)格按照鷹的結(jié)構(gòu)比例來進(jìn)行設(shè)計，同時確保機(jī)身截面的最大寬度保持在翼展長度的25%以下。最后，為了更好地提升仿鷹撲翼飛行器的飛行效率，就要確保仿鷹撲翼飛行器在實際的飛行過程中具有急回運(yùn)動，左右機(jī)翼的運(yùn)動具有對稱性，從而更好地保證仿鷹撲翼飛行器飛行具有穩(wěn)定性。

　　2.2仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

　　仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案必須嚴(yán)格按照設(shè)計要求來進(jìn)行，防止仿鷹撲翼飛行器在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)左右機(jī)翼撲動不對稱的問題。通過對鷹的飛行模式進(jìn)行觀察可知，鷹在飛行時不光會進(jìn)行翅膀的上下?lián)鋭樱€伴隨著翅膀的展向的折曲運(yùn)動及弦向的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案要充分考慮仿鷹撲翼飛行器機(jī)翼的形狀變化和撲動角度之間的聯(lián)系。例如：在多連桿撲動機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計內(nèi)翼和外翼，從而保證仿鷹撲翼飛行器的靈活性和穩(wěn)定性。

　　2.3仿鷹撲翼飛行器多飛行模式整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　對于仿鷹撲翼飛行器多飛行模式整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，需要從更加立體的角度來進(jìn)行，充分還原和仿生鷹的飛行模式。從整體上看，仿鷹撲翼飛行器包含了機(jī)身、撲動結(jié)構(gòu)、折疊結(jié)構(gòu)、扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)以及側(cè)翼和尾翼。基于此，可以為仿鷹撲翼飛行器設(shè)置兩個電機(jī)，通過改變仿鷹撲翼飛行器的撲動速度和扭轉(zhuǎn)速度，來實現(xiàn)仿鷹撲翼飛行器進(jìn)行不同角度的撲動運(yùn)動和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動相結(jié)合的飛行方式。這樣一來，仿鷹撲翼飛行器的整體飛行模式就更加仿生于鷹的飛行模式，并通過組合運(yùn)動的方式來實現(xiàn)仿鷹撲翼飛行器多飛行模式[1]。

　　3多飛行模式仿鷹撲翼飛行器氣動特性分析

　　3.1多飛行模式仿鷹撲翼飛行器氣動力計算模型

　　建立多飛行模式仿鷹撲翼飛行器氣動力計算模型，可以從更加直觀、更加多角度的層次來記進(jìn)行多飛行模式仿鷹撲翼氣動性分析。首先，可以在仿鷹撲翼飛行器的機(jī)翼上建立坐標(biāo)系，將機(jī)身的軸線方向作為x軸;機(jī)翼的弦向方向作為y軸，從而使仿鷹撲翼飛行器的飛行模式更貼近于鷹的飛行方式。此時，將仿鷹撲翼飛行器一機(jī)翼根部為軸進(jìn)行上下?lián)鋭?并以機(jī)翼前緣弦線為軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，進(jìn)一步得出多飛行模式仿鷹撲翼氣動力計算模型，為之后的工作奠定基礎(chǔ)。

　　3.2多飛行模式仿鷹撲翼飛行器氣動力特性分析

　　一般來說，鷹在不同的環(huán)境中進(jìn)行飛行，會根據(jù)外部環(huán)境的變化來不斷調(diào)整自身的飛行方式，進(jìn)而更好地保證飛行的穩(wěn)定性和高效性。基于此，在對仿鷹撲翼飛行器多飛行模式進(jìn)行設(shè)計和研究時，要充分考慮多飛行模式仿鷹撲翼飛行器的氣動力特性。由于目前大部分仿鷹撲翼飛行器所采用的機(jī)翼種類，都具有前部厚、彎度大的忒單，因此更符合大型鳥類的仿生特點。除此之外，對于多飛行模式仿鷹撲翼飛行器氣動力特性的研究，還要充分考慮仿鷹撲翼飛行器的飛行狀態(tài)、溫度、阻力等因素。

　　4仿鷹撲翼飛行器多飛行模式進(jìn)一步優(yōu)化及研究

　　4.1多飛行模式仿鷹撲翼飛行器運(yùn)動學(xué)模型

　　多飛行模式仿鷹撲翼飛行器運(yùn)動學(xué)模型是根據(jù)鷹的翅膀為設(shè)計參數(shù)，來進(jìn)一步研究鷹的飛行特點，從而對仿鷹撲翼飛行器進(jìn)行優(yōu)化。目前大部分仿鷹撲翼飛行器的機(jī)翼大多是采用單段撲翼模型，主要運(yùn)動類型為機(jī)翼展向撲動和弦向扭轉(zhuǎn)。為了使仿鷹撲翼飛行器的飛行方式更貼近于鷹，可以在當(dāng)前基礎(chǔ)上，不斷進(jìn)行多飛行模式的設(shè)計，例如：兩段式撲翼的形狀表現(xiàn)為上表面弧形，下表面內(nèi)凹形，從而使仿鷹撲翼飛行器的機(jī)翼與鷹的翅膀更貼近。

　　4.2多飛行模式仿鷹撲翼飛行器運(yùn)動特性

　　想要進(jìn)一步優(yōu)化仿鷹撲翼飛行器的實際飛行狀態(tài)，就要對多飛行模式仿鷹撲翼飛行器運(yùn)動特性進(jìn)行深層次的分析。例如：根據(jù)仿生原理來制定參數(shù)，從而列出仿鷹撲翼飛行器機(jī)翼運(yùn)動的參數(shù)方程，采用交互式優(yōu)化設(shè)計方法來對仿鷹撲翼飛行器的飛行方式進(jìn)行優(yōu)化。確保仿鷹撲翼飛行器的最大撲動角和最大扭轉(zhuǎn)角更具有科學(xué)性，從而提升機(jī)翼的升力系數(shù)和氣動性能[2]。

　　結(jié)論：綜上所述，仿鷹撲翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式可以為飛行器提供更好的動力，因此要對仿鷹撲翼飛行器進(jìn)行多飛行模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，仿鷹撲翼飛行器的氣動特性與機(jī)翼類型有著很大的關(guān)聯(lián)，在對仿鷹撲翼飛行器多飛行模式進(jìn)行設(shè)計時，要充分考慮這個因素，進(jìn)而不斷對仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

　　參考文獻(xiàn)：

　　高穎,侯宇,華兆敏,等.仿鷹撲翼飛行器設(shè)計及多飛行模式的實現(xiàn)[J].機(jī)械設(shè)計,2020,37(01):65-71.

　　楊小川,羅巍,何炬恒,等.V-Bat——非航母艦載小型垂起無人機(jī)發(fā)展歷程及技術(shù)特點[J].飛航導(dǎo)彈,2019(12):43-48+54.