蜻蜓悬停和前飞时的动稳定性与控制研究

Distinguished from insects that have only one pair of wings morphologically (flies) or functionally (bees and moths), dragonflies have two pairs of wings morphologically and functionally which can control flapping independently. Due to their special flapping and aerodynamic layout and superior flight ability, the flight dynamics deserves further exploration. Combined with numerical simulation and theoretical analysis, we will systematically investigate the dynamic flight stability and control characteristics of dragonflies in hovering flight and forward flight with different velocities, as well as the similarities and differences of the flight dynamics between dragonflies and other insects, by using the method of computational fluid dynamics to obtain the aerodynamic forces and moments and calculate the stability derivatives and control derivatives under the condition of balanced flight, and employing the techniques of eigenvalues and eigenvector analysis to solve the equations of motion. The research achievements of the dynamic flight stability and flight control mechanism of dragonflies can not only contribute to the studying in the field of biology, but also supply the bionics methods and means for the developing of micro air vehicle.

区别于只有一对翅膀（如蝇）或者功能上可视为一对翅膀（如蜂和蛾）的昆虫，蜻蜓具有两对翅膀且可独立控制拍动，鉴于其特殊的拍动方式、气动布局和超强的飞行能力，其飞行动力学机理值得深入探究。本项目拟通过数值求解流体力学方程获得气动力和力矩，计算平衡飞行状态下的气动导数和控制导数，利用模态分析方法求解运动方程，结合数值模拟和理论分析手段系统地研究蜻蜓在悬停和不同速度前飞等多种飞行状态下的动稳定性和控制特性，考察其飞行动力学机理与其他昆虫的异同。对蜻蜓飞行动稳定性和控制机理的清楚认识不仅有助于生物学领域的研究，还可为微型飞行器的研制提供仿生学方面的方法和手段。

蜻蜓具有超强的飞行能力，鉴于其特殊的拍动方式和气动布局，本项目的研究目标是明确其悬停和前飞状态下的动稳定性和控制机理，研究结果不仅具有生物学上的重要意义，还可为仿生微型扑翼飞行器的设计研制提供指导。.本项目的主要研究内容和重要结果概述如下：.1）关于蜻蜓不同飞行条件下平衡状态的确定：悬停时其下拍攻角较大，上拍攻角较小，下拍主要提供垂直力而上拍主要提供水平力；随着前飞速度的增加，前后翅的下拍攻角减小，上拍攻角增加，拍动平均角增大。.2）关于悬停横向动稳定性方面：前后翅相位差不同，横向扰动运动的特征模态不同；拍动相差90度时，横向扰动运动包含不稳定发散模态，横向运动是动不稳定的，这与拥有一对翅膀的蜂蝇或功能上可视为一对翅膀的熊蜂和鹰蛾相似；拍动相差180度时，悬停飞行横向扰动运动是中性稳定的，与以倾斜拍动平面悬停的食蚜蝇结果相似。这也许是蜻蜓悬停状态下常采用180度拍动相差的原因。.3）关于动稳定性随前飞速度的变化：前进比J=0.15，0.30时，纵向扰动运动与悬停一致，由不稳定振荡模态，稳定慢衰减模态和稳定快衰减模态构成；前进比J=0.45时，纵向扰动运动变化为短周期振荡发散模态和长周期振荡衰减模态，由于不稳定振荡模态的存在，蜻蜓悬停和前飞时的纵向运动均是动不稳定的；横向扰动运动随前飞速度的增加，由动不稳定趋于中性或弱稳定，这主要是由于飞行速度的增加，导致翅膀平均位置不断后移，“改变前缘涡轴向速度”效应的贡献减小，“改变相对速度”效应相应增大，稳定性导数Lv先减小再变号。.4）关于飞行增稳控制方面：纵向和横向扰动的可控性分析结果表明，拍动相差90度时蜻蜓悬停飞行虽是不稳定的，但可控；通过反馈适当的控制参数，纵向的不稳定振荡模态和横向的不稳定发散模态可得到有效的控制，蜻蜓可实现稳定的悬停飞行。