仿鷹撲翼飛行器設(shè)計(jì)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使機(jī)翼通過(guò)主動(dòng)運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生飛行的動(dòng)力。本文首先對(duì)仿鷹撲翼飛行器進(jìn)行了分析和研究;其次，對(duì)仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì);接著，對(duì)多飛行模式仿鷹撲翼氣動(dòng)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(jì)研究;多飛行模式

　　本文源自《科學(xué)與技術(shù)》雜志是經(jīng)國(guó)家新聞出版總署批準(zhǔn)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)、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(guó)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(jì)工作中應(yīng)用的越來(lái)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(dòng)力。基于此，對(duì)于仿鷹撲翼飛行器的多飛行模式設(shè)計(jì)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(dòng)特性，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行更加完善的設(shè)計(jì)。

　　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(lái)將機(jī)翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為鷹的翅膀的形態(tài)，從而為飛行器提供更多的動(dòng)力。因此，在進(jìn)行仿鷹撲翼飛行器的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)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(duì)于鷹的觀察，可以發(fā)現(xiàn)鷹在飛行時(shí)，其翅膀展長(zhǎng)較長(zhǎng)，并且可以分成內(nèi)段翅膀和外段翅膀兩個(gè)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(dòng)翅膀，然后通過(guò)折彎翅膀的方式來(lái)進(jìn)行加速;在改變飛行方向時(shí)，鷹常常通過(guò)扭轉(zhuǎn)翅膀來(lái)進(jìn)行，因此，可以說(shuō)鷹的整個(gè)飛行過(guò)程具有協(xié)同運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。所以對(duì)于仿鷹撲翼飛行器的設(shè)計(jì)，要根據(jù)鷹的飛行特點(diǎn)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

　　1.2氣動(dòng)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(gè)階段。首先，鷹在起飛時(shí)，身體會(huì)產(chǎn)生較大的仰角，并快速撲動(dòng)翅膀來(lái)向上飛行，此時(shí)，飛行的上升力必須要超過(guò)鷹自身的重力，因此在設(shè)計(jì)仿鷹撲翼飛行器時(shí)，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(dòng)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(guò)程中所遇到的阻力，因此，在設(shè)計(jì)仿鷹撲翼飛行器時(shí)，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(guò)程中，其翅膀會(huì)快速進(jìn)行頻率高、幅度大的撲動(dòng)，通過(guò)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(duì)仿鷹撲翼飛行器時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于機(jī)翼的撲動(dòng)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(jì)

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

　　仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)鷹的飛行模式為設(shè)計(jì)原理來(lái)進(jìn)行的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)、折疊、扭轉(zhuǎn)等多種形式的調(diào)節(jié)，并為每個(gè)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(dòng)頻率發(fā)生變化時(shí)，要對(duì)其運(yùn)動(dòng)周期進(jìn)行一個(gè)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(lái)進(jìn)行規(guī)劃，嚴(yán)格按照鷹的結(jié)構(gòu)比例來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)確保機(jī)身截面的最大寬度保持在翼展長(zhǎng)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(shí)際的飛行過(guò)程中具有急回運(yùn)動(dòng)，左右機(jī)翼的運(yùn)動(dòng)具有對(duì)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(jì)方案

　　仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求來(lái)進(jìn)行，防止仿鷹撲翼飛行器在運(yùn)行的過(guò)程中出現(xiàn)左右機(jī)翼?yè)鋭?dòng)不對(duì)稱的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)鷹的飛行模式進(jìn)行觀察可知，鷹在飛行時(shí)不光會(huì)進(jìn)行翅膀的上下?lián)鋭?dòng)，還伴隨著翅膀的展向的折曲運(yùn)動(dòng)及弦向的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)角度之間的聯(lián)系。例如：在多連桿撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(jì)

　　對(duì)于仿鷹撲翼飛行器多飛行模式整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要從更加立體的角度來(lái)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(dòng)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(gè)電機(jī)，通過(guò)改變仿鷹撲翼飛行器的撲動(dòng)速度和扭轉(zhuǎn)速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)仿鷹撲翼飛行器進(jìn)行不同角度的撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的飛行方式。這樣一來(lái)，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(guò)組合運(yùn)動(dòng)的方式來(lái)實(shí)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(dòng)特性分析

　　3.1多飛行模式仿鷹撲翼飛行器氣動(dòng)力計(jì)算模型

　　建立多飛行模式仿鷹撲翼飛行器氣動(dòng)力計(jì)算模型，可以從更加直觀、更加多角度的層次來(lái)記進(jìn)行多飛行模式仿鷹撲翼氣動(dòng)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(shí)，將仿鷹撲翼飛行器一機(jī)翼根部為軸進(jìn)行上下?lián)鋭?dòng);并以機(jī)翼前緣弦線為軸進(jìn)行扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步得出多飛行模式仿鷹撲翼氣動(dòng)力計(jì)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(dòng)力特性分析

　　一般來(lái)說(shuō)，鷹在不同的環(huán)境中進(jìn)行飛行，會(huì)根據(jù)外部環(huán)境的變化來(lái)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(duì)仿鷹撲翼飛行器多飛行模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究時(shí)，要充分考慮多飛行模式仿鷹撲翼飛行器的氣動(dòng)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(diǎn)。除此之外，對(duì)于多飛行模式仿鷹撲翼飛行器氣動(dòng)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(dòng)學(xué)模型

　　多飛行模式仿鷹撲翼飛行器運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是根據(jù)鷹的翅膀?yàn)樵O(shè)計(jì)參數(shù)，來(lái)進(jìn)一步研究鷹的飛行特點(diǎn)，從而對(duì)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(dòng)類型為機(jī)翼展向撲動(dòng)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(jì)，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(dòng)特性

　　想要進(jìn)一步優(yōu)化仿鷹撲翼飛行器的實(shí)際飛行狀態(tài)，就要對(duì)多飛行模式仿鷹撲翼飛行器運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行深層次的分析。例如：根據(jù)仿生原理來(lái)制定參數(shù)，從而列出仿鷹撲翼飛行器機(jī)翼運(yùn)動(dòng)的參數(shù)方程，采用交互式優(yōu)化設(shè)計(jì)方法來(lái)對(duì)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(dòng)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(dòng)性能[2]。

　　結(jié)論：綜上所述，仿鷹撲翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式可以為飛行器提供更好的動(dòng)力，因此要對(duì)仿鷹撲翼飛行器進(jìn)行多飛行模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，仿鷹撲翼飛行器的氣動(dòng)特性與機(jī)翼類型有著很大的關(guān)聯(lián)，在對(duì)仿鷹撲翼飛行器多飛行模式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮這個(gè)因素，進(jìn)而不斷對(duì)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(jì)及多飛行模式的實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),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(wú)人機(jī)發(fā)展歷程及技術(shù)特點(diǎn)[J].飛航導(dǎo)彈,2019(12):43-48+54.