仿鸟型扑翼飞行器非线性气动弹性耦合飞行动力学研究

Bio-mimicry kinematics and potential excellent maneuverability make flapping-wing micro air vehicles (FMAV) exploitable and applicable prosperously. Different from the high flapping frequency and hovering flight of insect-like vehicles, bird-like FMAV’s main characteristics are low flapping frequency and forward flight, which makes it inapplicable that the averaged model of insect-like vehicles and assumption that the elimination of inertial force of flapping wing and fixed body in inertial coordinates. It impedes the development of such vehicles seriously. In the project, numerical method and experimental method are used to study the coupled aero-elasticity and flight dynamic of bird-like FMAV in forward flight. A simplified model with adequate accuracy can be acquired through combination and modification of CFD results and experimental results including structure modal test, deformation measurement, wind tunnel experiments and flight test. In virtue of the numerical model, it is feasible to perform research about the relationship between structural modal and aerodynamic characteristics, the influence of rigid vehicle body on aerodynamic and dynamic characteristics of flight, which is the necessary foundation for the design of control algorithm.

微型扑翼飞行器具有其它飞行方式无法比拟的仿生迷惑性和飞行机动性，是一种极具研究价值和应用前景的飞行器。与仿昆虫型扑翼飞行器的高频扑动方式和悬停飞行状态不同，低频扑动和前飞状态是仿鸟型扑翼飞行器的主要特征，低频扑动会与机身刚体运动模态耦合，导致适用于仿昆虫型扑翼飞行器的平均气动力方法，以及忽略扑翼惯性力和机身固结于惯性坐标系等的假设在数值模拟中不再适用，严重阻碍该类飞行器的研究进程，所以非常有必要对仿鸟型扑翼飞行器前飞状态下的气动弹性耦合飞行动力学展开深入研究。本项目计划采用数值和实验的方法对该问题进行研究，通过结合CFD计算结果与结构模态实验、变形测量实验、风洞实验和飞行实验等实验结果对简化的计算模型进行修正，从而得到满足精度要求的计算模型，并利用该模型对结构模态与气动特性之间的关系，机身的刚体运动对气动特性的影响以及飞行器的静、动态特性展开研究，并为该类型飞行器控制律的设计奠定必要基础。

微型扑翼飞行器具有其它飞行方式无法比拟的仿生迷惑性和飞行机动性，是一种极具研究价值和应用前景的飞行器。与仿昆虫型扑翼飞行器的高频扑动方式和悬停飞行状态不同，低频扑动和前飞状态是仿鸟型扑翼飞行器的主要特征，低频扑动会与机身刚体运动模态耦合，导致适用于仿昆虫型扑翼飞行器的平均气动力方法，以及忽略扑翼惯性力和机身固结于惯性坐标系等的假设在数值模拟中不再适用，严重阻碍该类飞行器的研究进程，所以非常有必要对仿鸟型扑翼飞行器前飞状态下的气动弹性耦合飞行动力学展开深入研究。.针对上述问题，本项目发展了非线性气动弹性与飞行动力学耦合的数值方法；在此基础上研究了柔性扑翼的结构模态对气动特性的影响；研究了扑翼飞行器机身的刚体运动（沉浮、俯仰以及多自由度的复合运动）对扑翼气动特性的具体影响；还进行了具有不同结构布局扑翼的柔性扑翼飞行器前飞时的飞行静、动态特性的影响研究。.具体研究成果为：（1）扑翼飞行器机体的自由振动增加了飞行阻力，对升力影响不显著，配平所需扑动频率增加，攻角略微降低；（2）当扑动翼质量占比较大（大于5%）时，需要考虑机体的运动，应使用多体动力学模型实现对扑动翼惯性力的准确建模；当扑动翼质量占比超过10%时，采用平均方法分析纵向稳定性会带来较大误差，需要考虑机体运动的动态变化影响，并应使用Floquet方法开展纵向稳定性分析；（3）增加扑动频率、改变碳杆直径以及截面参数均不能达到提高扑动翼飞行效率的设计目标，但是通过改变外段翼肋的质量分布可以获得推力、推进效率和飞行效率的同时提升；（4）通过比较配备刚性翼和柔性翼的扑翼飞行器的纵向稳定性，系统的纵向稳定性发生了改变，由刚性翼对应的不稳定转变为柔性翼对应的稳定。上述结论可以为具有较大扑动翼质量占比和较低扑动频率的扑翼飞行器的设计提供有效的指导意义。