仿生驅(qū)鳥撲翼機結(jié)構(gòu)設(shè)計與氣動力研究

王嘉鑫 彭思逸 胡銘薇 蘭浩原 杜智強

摘要：基于仿生學(xué)原理設(shè)計仿生撲翼機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，飛行能力出色，能夠滿足多種飛行模式的要求。基于此，本文通過對撲翼機結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析，簡單分析了氣動力的特性。以期能夠為撲翼機設(shè)計和分析提供一定參考。

關(guān)鍵詞：仿生撲翼機;仿生學(xué);撲翼機結(jié)構(gòu);氣動力

引言：

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

一、仿生驅(qū)鳥撲翼機結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）單自由度撲翼機構(gòu)

最常見的驅(qū)動機構(gòu)為單自由度機構(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：通過滑塊或者滑桿的上下運動，對兩側(cè)搖桿帶動做對稱運動，保證運動平穩(wěn)。凸輪根據(jù)撲翼規(guī)律進行設(shè)計，即可撲動。但由于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，很難減小占地面積，長期運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，作為典型四桿機構(gòu)，使用驅(qū)動曲柄對搖桿起到帶動作用形成上下?lián)鋭印C構(gòu)重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，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，很難對稱運動，無法保證兩側(cè)氣動力平衡，存在較高墜機風(fēng)險[1]。（3）雙曲柄雙搖桿：采取上下對稱撲動，保證平穩(wěn)撲動，具有較高對稱性，無相位差。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）多自由度撲翼機構(gòu)

多自由度撲翼機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，主要在大型飛行器中使用。撲翼機構(gòu)經(jīng)過特定組合優(yōu)化后可以滿足扭轉(zhuǎn)、撲動等復(fù)雜運動軌跡。目前主要分為空間機構(gòu)型以及獨立驅(qū)動型。空間機構(gòu)型通過空間機構(gòu)可以實現(xiàn)多自由度的撲翼運動形式，從平面結(jié)構(gòu)經(jīng)過演化得來，可以達到扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜軌跡。主要采取球形鉸接，對稱運動。但驅(qū)動機構(gòu)相對復(fù)雜，只能重復(fù)進行復(fù)雜的運動軌跡，無法進行更改。獨立驅(qū)動型由單片機控制揮拍、撲動和扭轉(zhuǎn)等動作，對運動模型進行控制，各個模型之間無干擾，主要應(yīng)用于撲翼實驗中，在研究撲翼流暢特征上具有突出優(yōu)勢。

（三）驅(qū)鳥撲翼機結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)仿生學(xué)原理，連桿機構(gòu)按照鳥類骨骼進行設(shè)計，模擬其運動原理，實現(xiàn)機翼的折疊運動以及撲動。使用雙段撲翼機構(gòu)對鳥類翅膀進行模擬，撲翼使用兩段骨骼關(guān)節(jié)連接，對第二段撲翼撲動進行控制，第一段連桿采取平行模式模擬鳥類直接肌的收縮，通過第一段桿對第二段桿起到牽動作用實現(xiàn)運動。兩段桿結(jié)構(gòu)對骨骼關(guān)節(jié)桿結(jié)構(gòu)進行模擬，組成四邊形結(jié)構(gòu)，利用四邊形特征避免桿卡制的問題，實現(xiàn)撲翼折疊。和雙曲柄雙搖桿對比，可以保證兩側(cè)撲翼同步運動和折疊運動，可以滿足飛行要求，減少上撲受到的氣動阻力。由于采取平面連桿機構(gòu)，可以穩(wěn)定運行，具有較高傳動效率，滿足仿生撲翼機飛行的要求。

二、仿生驅(qū)鳥撲翼機結(jié)構(gòu)的氣動力

分析撲翼機氣動力主要使用C語言、Fluent以及Gambit程序進行。由于機翼撲動頻率低，在默認空氣密度一致的條件下，使用Fluent中隱式分離求解器，由于撲動過程中流場參數(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）、邊界點松弛因子（0-1）、重劃網(wǎng)格（0，0，1）。在模擬中機翼運動使用C語言模擬，F(xiàn)luent可實現(xiàn)特定動態(tài)運動，包括撲動和俯仰運動。在計算前預(yù)覽網(wǎng)格更新效果，避免計算中出現(xiàn)網(wǎng)格更新問題。對氣動力進行模擬分析，當純撲動條件下，升力系數(shù)最大值為1，平均升力系數(shù)均較小，表示在純撲動條件中剛性翼不會產(chǎn)生升力[2]。在俯仰+撲動運動模式中，升力系數(shù)的最大值超過1，表示撲翼機的升力明顯提高，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產(chǎn)生推力，對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)運動，讓鳥類的飛行效率得到提高。撲翼機飛行受到撲動模式的影響。主要包括：

（1）來流速度。鳥類飛行時存在初速度，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。在無風(fēng)條件下，機翼扭轉(zhuǎn)可以產(chǎn)生向前推力，幫助撲翼機起飛。隨著來流速度的升高，飛機阻力增加，升力降低，撲翼機不利于飛行或者無法飛行。

（2）仰角。仰角是指相對氣流方向和翼弦的夾角，仰角大小會影響飛行升力，且仰角存在一定范圍。當仰角逐漸增大時，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。機翼選擇最合適的仰角時，可以獲得良好的氣動特性。

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

（4）飛行角度。當機身角度增加時，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)鋵崿F(xiàn)。當機身角度為0，阻力系數(shù)最小，更有利于降低飛行阻力;當機身角度存在一定仰角，可提高起飛升力。

結(jié)論：綜上所述，撲翼機結(jié)構(gòu)主要包括單自由度撲翼機構(gòu)、多自由度撲翼機構(gòu)，本文設(shè)計的驅(qū)鳥撲翼機結(jié)構(gòu)可以有效滿足應(yīng)用需求，補充傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的缺陷，優(yōu)勢明顯。在設(shè)計撲翼機上氣動力分析十分關(guān)鍵，通過分析撲動規(guī)律和環(huán)境對于氣動力產(chǎn)生的影響，可以發(fā)現(xiàn)折疊運動有利于改善氣動力，滿足不同飛行軌跡對于撲翼機的要求。未來還需要在結(jié)構(gòu)和重量上進一步優(yōu)化，降低能耗，優(yōu)化撲翼機性能。

參考文獻：

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

[2]馬程，熊曉松，吳昊，等.撲翼機結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動仿真[J].中國教育技術(shù)裝備，2020（14）：27-29.