多自由度扑翼飞行器的气动特性

2023-10-15陈太庆

液压与气动 2023年9期

张兴, 双丰, 蔡毓, 陈太庆

(广西大学电气工程学院, 广西南宁 530004)

引言

鸟类作为自然界最具代表性特征的生物有机体,在不同的飞行场合中展现出特定的技能,能够改变翅膀、尾巴、躯干的结构形式,以适应复杂的环境,并表现出高超的飞行能力。自然界中的鸟类因其高级的飞行技巧、独特的飞行姿态和高效的飞行效率,成为众多科研者研究的对象。

扑翼飞行器主要有模拟鸟类飞行和模拟昆虫飞行两种。扑翼飞行器主要模拟昆虫类能实现旋翼的悬停状态,模拟鸟类能进行高速远程飞行[1],其研究主要致力于实现仿生拍动模式的机构设计和气动特性分析[2]。

国外代表性的仿鸟扑翼飞行器有塞维利亚大学的单段翼扑翼飞行器“E-Flap”[3],Festo 公司的双段翼仿生银鸥“SmartBird”[4]。

国内代表性的仿鸟扑翼飞行器有西北工业大学宋笔锋团队的双段翼仿生信鸽“Dove”[5],哈尔滨工业大学(深圳)徐文福团队的单段翼仿生凤凰“HIT-Hawk”和“HIT-Phoenix”[6]。

在对仿鸟型扑翼飞行器的气动特性研究中指出,扑翼拍打会同时产生升力和推力,扑翼飞行系统的设计和分析比固定翼飞行器更复杂[7]。早在2004年,MUNIPPAN A等[8]研究了扑翼幅度和频率对微型扑翼升力产生的影响,观察到由于拍击而产生的升力将随着拍击幅度和拍击频率的提高而增加,而气流速度的提高将使升力减小。随后,MUNIPPAN A等[9]继续对机翼展弦比、机翼平面形状和机翼扭转柔性对升力和推力的影响展开研究,发现机翼长宽比的增加会提高升力,而推力几乎没有变化;同时发现扭转更灵活的翅膀能有更高的升力和推力。张后伟等[10]基于Fluent分析了羽毛的气动特性,分析了羽毛弯角对羽毛气动性能的影响。方子帆等[11]所研制的振荡扑翼能够有效采集波浪能,实现电能的稳定输出与储能。

与传统的固定翼飞行相比,扑翼飞行在节能和飞行灵活性方面具有许多优势[12-13]。HAN C[14]发现,对比扑动运动,鸥翼翅膀的多段翼扑动运动展现出升力的优势,两段式折叠扑翼飞行结构具有更好的气动特性[15]。相较于原有扑翼飞行器,多段柔性变体扑翼飞行器可以慢频率扑动飞行,调整扑翼形状[16]。通过对扑翼气动力矩进行估算可得出翅膀有展向折叠时,上扑阶段外翼相对内翼存在折叠了角度,上扑阻力减小,扑翼可以获得更高的升力[17]。张焱等[18]通过 ADAMS 运动学仿真,设计了6组不同杆长的扑翼来获得更大的扑击幅度更大的攻角等动力学特性,并通过 Fluent 重叠网格的仿真,获得相关的气动力学性能与仿真结果。扑翼飞行器的仿真研究为仿鸟型扑翼飞行器实物设计做出巨大贡献,但目前缺少实物数据的支撑。本研究将从升力、推力两个维度,对仿鸟型扑翼飞行器的设计提供有效实验数据支撑。

风洞实验由于可以模拟飞行时的真实情况,获得的数据较为真实可靠,且可以定量分析研究,已成为目前研究仿生扑翼飞行器非常有效的方法[19]。风洞实验能比较准确地控制实验条件,如气流的速度、压力和温度等。实验在室内进行,受气候条件和时间的影响小,模型和测试仪器的安装、操作、使用比较方便。因此,风洞实验在空气动力学的研究、各种飞行器的研制方面都有广泛应用。然而,目前针对机翼模式和飞行动力学之间的相互作用的全面理解尚未实现[20],现有的单段翼扑翼机很少与双段翼扑翼机进行比较。除了单段翼与双段翼扑翼机的样机难以制作外,传统意义上的大型扑翼飞行器所需要的风洞实验平台存在占地大、成本高等一系列问题。为解决大型风动平台的问题,本研究借助一个可以模拟来流状态和感知扑翼机瞬时力矩的实验平台ANIPRO RL4,完成了对不同扑翼模式下的实验数据测量。

为进一步深入了解单段翼与双段翼扑翼飞行器的空气动力学性能存在的差异,本研究在同一扑翼飞行器上设计并建造单段翼模式和双段翼模式。在ANIPRO RL4转台上模拟大型风洞,测量大型扑翼飞行器在拍打过程中的升力、推力和风速,拍打频率之间的关系。本研究聚焦单段翼和双段翼大型扑翼飞行器之间的定量数据关系,对比分析单段翼飞行器与双段翼飞行器在相同翼展等条件下所产生的升推力的数据,为大型扑翼飞行器提供飞行数据支持。

1 仿生扑翼飞行器的样机设计

1.1 扑翼样机整机设计

本研究的双段折叠翼扑翼机起初是仿照Smartbird设计研制的[4],翼型的选型为NACA7412,符合鸟类翼型上凸下凹的特点,采用四连杆结构。为了扑翼机能够在扑打过程中获得高升力,本研究展示了改造后的扑翼机翼展,实际扑翼机翼展为1.5 m。翼面面积随着翼展的增大而增大。机身完全由复合碳纤维制成。机身都是单一仓体结构,设计用于容纳飞行部件、控制效应器和仪表。扑翼飞行器的样机如图1所示,实物如图2所示。

图1 扑翼飞行器样机图Fig.1 Model diagram flapping-wing mechanism

图2 扑翼飞行器实物图Fig.2 Physical picture of flapping-wing mechanism

机翼采用与机身和尾翼相似的复合材料技术制造。碳纤维棒提供支撑空气负荷所需的强度,而薄膜可以产生弹性形变从而提供升力面。该仿生扑翼机的机翼结构采用柔性复合泡沫膜作为翼膜材料,并覆盖在翅膀骨架上。其中,内段翼采用了发泡率为45倍的扩展聚丙烯(Expanded Polypropylene,EPP)材料,而为了使外段翼在扑打过程中具有一定的韧性,选择了较低的30倍发泡率的EPP材料作为翼膜。该扑翼飞行器的质量参数如表1所示。

表1 扑翼样机尺寸参数Tab.1 Prototype size parameters of flapping wing

1.2 单段翼与双段翼机翼转换设计

为了控制实验变量,本研究在多自由度机翼设计的基础上对机翼进行改进,使得机翼能够在双段翼与单段翼之间进行切换,切换方法如图3所示。对传统四连杆结构内段翼的从杆BF的点F处断开,并将内段翼CE与外段翼EM的链接点E处,使用碳纤维材质的限制装置卡住使得内段翼CE与外段翼EM成一条直线,就可以将双段翼模式转换到单段翼模式。碳纤维材质的转换装置的重量足够轻,相对于扑翼机整体质量可以忽略不计, 这样在保证扑翼飞行器主体变量不变的情况下,只改变了机翼的自由度,能够更好的避免机械误差对研究结果的影响。

图3 机翼转换Fig.3 Wing convert

2 ANIPRO RL4转台实验台

大型鸟类扑翼飞行器的风洞平台难以直接搭建,所需成本场地费用较高。因此,本研究选用ANPRIO RL4转台用于大型扑翼机的飞行参数测量。ANPRIO RL4转台相当于大型风洞,用圆周运动模拟飞行器前飞的效果,改善了大型鸟类特有的风洞占地面积大的问题,同时弥补小型风洞截面积不足的缺点,可用于测量飞行器的推力,升力,速度等参量,为扑翼飞行器的设计提供定量数据支撑,ANIPRO RL4转台如图4所示。

图4 ANIPRO RL4转台Fig.4 ANIPRO RL4 Turntable

转台使用一维力传感器测量推力数据FT,使用角度传感器测量离心角θ,位置传感器测量角速度ω,从而计算得到升力数据FL。升力测量示意图如图5所示,计算升力如式(1)、式(2)所示。

图5 转台模型简图Fig.5 Schematic diagram of turntable model

r1=l1+l2cosθ

(1)

FL=mgcosθ-mω2r1sinθ

(2)

其中,FL为升力,l1为横杆长度,l2为固定鸟飞行的架子长度。θ为架子的离心角,r1为圆周运动半径。m为扑翼飞行器质量,g为重力加速度取值9.8 m/s2。ω为圆周运动角速度由脉冲传感器与磁传感器测量得到,每4°产生一个脉冲并记录。数据通过数据采集卡NI-USB 6212,以及LabVIEW采集软件将数据储存至电脑上,后期将对采集的数据使用MATLAB进行数据处理数据采集卡,如图6所示。

图6 数据采集卡NI-USB 6212Fig.6 Data acquisition card

3 运动学分析

3.1 升力比较

在本节中分析了单段翼与双段翼两种不同模式下对升力大小产生的影响,如式(3)所示。

CL瞬时升力由局部切向速度和水平投影面积显著决定,这与前缘涡流的发展密切相关[21]。

(3)

CL为升力系数,ρ为空气密度系数,S扑翼运动影响水平投影面积,vL为来流速度。而水平投影面积S主导升力变化的趋势。随着机翼的拍打运动,水平投影面积将略有变化。通过参考气动力分解过程,可以将垂直面上定义的升力计算视为基于水平投影的面积。因此,升力可能会受到水平投影面积变化的影响,双段翼的升力理论上大于单段翼。

3.2 推力分析

随着机翼的拍打运动,通过参考气动力分解过程,推力主要与拍打过程中产生的涡流有关。机翼拍打时机翼膜的形变会改变机翼的有效翼面面积。推力由机翼膜与空气作用后产生阻力的前进分量决定,如式(4)所示。单段翼的外翼在垂直面上的拍打速度比双段翼外翼的拍打速度大。因此,同等条件下单段翼的推力理论上大于双段翼。

(4)

对于零攻角,CT为升力系数,ρ为空气密度系数,S扑翼运动影响水平投影面积,vT为巡航速度。

4 实验数据测量

4.1 实验数据采集

本研究注重单段翼和双段翼之间的对比研究,从定量数据角度找到单段翼与双段翼的优势。通过测量扑翼飞行器的气动特性数据对实验样机进行数据分析。

扑翼飞行器安装在ANIPRO RL4转台上。在1～3 m/s的四种不同自由流速度下进行了实验。对于每个自由流速度扑翼频率从1～4 Hz变化,针对零攻角重复实验,在每种不同的情况下测量产生的升力和推力。图7显示了多个拍打周期的升力(未过滤和过滤)时间历程,拍打频率为2.70 Hz。图8显示了推力传感器的测力数据,拍打频率为3.45 Hz。将机翼未拍打状态下的力传感器测的数据与机翼拍打状态下力传感器测的数据均值作差,即为扑翼运动带来的推力大小。图中横坐标为时间t,单位为秒s。

图7 升力数据滤波图Fig.7 Lift data filtering diagram

图8 推力采集数据示意图Fig.8 Thrust acquisition data diagram

4.2 升力数据

控制拍打频率在1～4 Hz区间内变化,分别测量单段翼与双段翼扑翼飞行器的升力数据,得到图9所示的升力数据图,其中图9a、图9b分别表示单段翼、双段翼扑翼飞行器风速与升力关系。

图9 升力数据Fig.9 Lift data

对图9a、图9b单独分析,均可发现,风速的加快定将导致升力的上升。当拍打频率较小时,升力增长幅度不大,即低频时,风速不是影响升力的主要因素。当拍打频率增加到一定程度后,升力与风速呈强正相关,此时风速是影响升力的重要因素。

对图9a、图9b结合分析,可得:当风速恒定或者拍打频率处于中高频且恒定时, 双段翼升力约是单段翼的1.2～1.5倍。双段翼的升力均优于单段翼且优势明显符合预期。

4.3 推力数据

控制风速在1～3 m/s区间内变化,分别测量单段翼与双段翼扑翼飞行器的推力数据,得到图10所示的推力数据图,其中图10a图为单段翼推力数据,图10b图为双段翼推力数据,图10c为图10a与图10b的结合体。

图10 单段与双段扑翼飞行器推力数据Fig.10 Thrust data of single and double-stage ornithopter

对图10a、图10b单独分析,均可发现拍打频率与推力均呈正相关,满足预期的二次型曲线。当拍打频率一定时,流速与推力呈负相关,即来流速度过大会对推力产生抑制,在图10b中更能明显体现。

对图10a、图10b图的结合图10c分析,单段翼的推力明显优于双段翼。同等条件下, 单段翼推力约是双段翼的1.8倍。这可能与机翼内外翼尺寸有关,也是后续研究的方向。

通过分析单段翼与双段翼在不同风速和拍打频率下的升力与推力数据来看。大型海鸥式双段翼扑翼飞行器在提升升力方面存在优势,而单段翼扑翼飞行器在推重比方面存在显著优势。

5 外场实验

如图11所示,经测试,本研究所使用的实验样机经过外场实验能够在飞行时保持良好的稳定性和操控性。单段翼与双段翼扑翼飞行器的载荷(升力)满足飞行器的实验要求。但推力较大的情况下单段翼能够更好的应对扰动气流,稳定性更好。双段翼在升力方面存在优势,但推力的下降容易导致飞行器因动力不足,飞行遇到气流扰动时处于不稳定状态。