超微型旋翼仿生智能膜桨叶非稳态环量控制机理研究

The degradation of nano rotor propulsion performance at ultra-low Reynolds number is a key problem for nano air vehicle design. Conventional blade shape optimization method based on steady aerodynamics theory has little effect on improvement. It is a useful method to use the bio-inspired blade motion to generate unsteady circulation so as to improve rotor propulsive performance. In our previous research work, it is found that the performance of nano rotor can be enhanced by controlling flow field around the blade with the bio-inspired blade motion along the longitudinal axis. However, the improvement efficiency is influenced by the flow variations at different stations along the blade and the stiffness of blade structure. A method is therefore proposed to control the unsteady circulation with the distributed active-morphing-membrane blade. The analysis model and method for the electro-structure-aerodynamics interaction of electroactive membrane blade shall be established. The research will be carried out to find out the unsteady mechanism under multi-physics interaction. The influence of control parameters, blade structural parameters, blade geometric parameters and bio-inspired motion parameters to the unsteady circulation will be studied. Furthermore, the reason that the unsteady aerodynamic performance of nano rotor is improved will be found out. The optimum design principles for bio-inspired nano rotor parameters and the optimum strategy for distributed smart actuators will be established. The project will provide the improvement of nano rotor performance at ultra-low Reynolds number and the design of nano rotor with theoretical evidence and benefit to the development of high-performance nano air vehicle.

超微型旋翼在低雷诺数下推进效率的下降是超微型飞行器设计中的难题之一，依赖稳态空气动力学理论的传统桨叶外形优化方法对推进效率提升有限，利用桨叶仿生运动产生非稳态环量将是增大旋翼推进特性的有效手段。我们之前的研究发现刚性桨叶绕桨轴的仿生运动可以实现旋翼推进特性的提升，但沿桨叶展向流动的差异和桨叶的刚性影响了提升效率。因此本项目提出了分布式主动变形膜桨叶进行旋翼周围流动非稳态环量控制的方法。研究首先建立低雷诺数下电致主动控制仿生膜桨叶电场-结构-气动耦合的分析模型和研究方法，开展多场耦合下非稳态环量产生机制的研究，获得驱动控制、结构、几何及运动参数对非稳态环量影响的规律，揭示低雷诺数下超微型旋翼非稳态推进特性提升的内在机理，形成主动控制仿生桨叶参数的优化设计准则和展向差异化非稳态环量控制的优化策略，为低雷诺数下超微型旋翼推进特性的提升提供理论依据和方法，对高性能超微型飞行器的设计具有重要意义。

超微型旋翼飞行器尺寸小、质量轻且便于携带，具备低速飞行、垂直起降及悬停等多种飞行能力，可用于复杂狭窄空间的无人侦察、数据中继、目标跟踪和载荷释放等任务，也可用于环境监测、灾情调查和搜救等，具有重要的军事及民用价值。由于超微型旋翼在极低雷诺数下飞行，此时黏性力影响显著增大，易引发层流分离从而使旋翼的推进性能降低。依赖稳态空气动力学理论的常规优化设计方法以改善旋翼几何外形和气动力布局为主，无法有效提升极低雷诺数下超微型旋翼的推进性能。本项目提出了分布式主动变形膜桨叶进行超微型旋翼周围流动非稳态环量控制的方法。首先推导了超微型旋翼的仿生运动方程，建了基于非稳态涡格方法的超微型旋翼的推进特性研究方法，研究了不同仿生运动下超微型仿生旋翼推进特性的变化规律，搭建了超微型旋翼推进特性测试平台，完成了俯仰仿生运动对超微型旋翼推进特性影响的研究。其次，设计并制作了具有不同结构特性的超微型旋翼，开展了旋翼的推进特性测量研究和旋翼流场的精细化研究。然后，提出了基于柔性介电弹性体（DE）为膜材料的复合材料桨叶，开展了DE材料力学性能和电学性能参数的研究，建立了DE膜的超弹性本构模型；并开展了复合材料膜旋翼模态实验，建立了准确的超微型膜旋翼有限元模型。试验研究了超微型被动膜旋翼的推进特性，并基于流固耦合方法获得了超微型膜旋翼的推进特性，揭示了超微型被动膜旋翼流场变化规律和结构响应变化的特征。最后，建立了超微型主动控制膜旋翼的流、固、电场耦合分析方法，开展了多场耦合下主动控制超微型变形膜旋翼推进特性研究，获得了电场参数对膜旋翼推进特性影响的规律，揭示了流-固-电场耦合下超微型主动控制膜旋翼流动环量控制的规律。发现了随着电压的增大，旋翼品质因数逐步上升，而电压频率对其则基本无影响的规律。研究为低雷诺数下超微型旋翼推进特性的提升提供理论依据和方法，对高性能超微型飞行器的设计具有重要意义。