仿鷹撲翼飛行器設(shè)計及多飛行模式研究

　　摘要：仿鷹撲翼飛行器指的是將飛行器機翼仿照鷹的翅膀來進行設(shè)計，從而使機翼通過主動運動來產(chǎn)生飛行的動力。本文首先對仿鷹撲翼飛行器進行了分析和研究;其次，對仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計;接著，對多飛行模式仿鷹撲翼氣動特性進行了分析;最后，進一步優(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)計研究;多飛行模式

　　本文源自《科學與技術(shù)》雜志是經(jīng)國家新聞出版總署批準，中國科學技術(shù)協(xié)會、新疆阿勒泰地區(qū)科協(xié)主管，新疆阿勒泰地區(qū)科協(xié)主辦的學術(shù)性期刊。

　　引言：隨著我國科學技術(shù)的不斷發(fā)展，仿生學原理在機翼設(shè)計工作中應(yīng)用的越來越廣泛，仿鷹撲翼飛行器是目前較為主流的一種機翼結(jié)構(gòu)，可以為飛行器提供更多的動力。基于此，對于仿鷹撲翼飛行器的多飛行模式設(shè)計要不斷進行研究和優(yōu)化，充分考慮多飛行模式仿鷹撲翼的氣動特性，進而對其進行更加完善的設(shè)計。

　　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原理，來將機翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計為鷹的翅膀的形態(tài)，從而為飛行器提供更多的動力。因此，在進行仿鷹撲翼飛行器的設(shè)計時，首先要對鷹的翅膀結(jié)構(gòu)，以及鷹的飛行方式進行充分的研究。根據(jù)對于鷹的觀察，可以發(fā)現(xiàn)鷹在飛行時，其翅膀展長較長，并且可以分成內(nèi)段翅膀和外段翅膀兩個部分，整體的飛行形式可以概括為：鷹在飛行的起始階段，先進行撲動翅膀，然后通過折彎翅膀的方式來進行加速;在改變飛行方向時，鷹常常通過扭轉(zhuǎn)翅膀來進行，因此，可以說鷹的整個飛行過程具有協(xié)同運動的特點。所以對于仿鷹撲翼飛行器的設(shè)計，要根據(jù)鷹的飛行特點設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

　　1.2氣動特性與飛行參數(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就是鷹的起飛、加速以及降落三個階段。首先，鷹在起飛時，身體會產(chǎn)生較大的仰角，并快速撲動翅膀來向上飛行，此時，飛行的上升力必須要超過鷹自身的重力，因此在設(shè)計仿鷹撲翼飛行器時，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程中所遇到的阻力，因此，在設(shè)計仿鷹撲翼飛行器時，要確保飛行器具有較小的阻力和較高的飛行效率。最后，在鷹降落的過程中，其翅膀會快速進行頻率高、幅度大的撲動，通過與空氣進行摩擦產(chǎn)生阻力，進而減緩自身的飛行速度。基于此，在對仿鷹撲翼飛行器時進行設(shè)計時，對于機翼的撲動頻率、夾角、扭轉(zhuǎn)角、飛行阻力等因素都要進行充分考慮。

　　2仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

　　仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(jù)鷹的飛行模式為設(shè)計原理來進行的，因此在設(shè)計時要充分考慮鷹的飛行習慣。首先，仿鷹撲翼飛行器的機翼可以必須可以滿足撲動、折疊、扭轉(zhuǎn)等多種形式的調(diào)節(jié)，并為每個調(diào)節(jié)的角度都制定合理飛參數(shù);當仿鷹撲翼飛行器在不同飛行模式下的運動頻率發(fā)生變化時，要對其運動周期進行一個合理的規(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)原理來進行規(guī)劃，嚴格按照鷹的結(jié)構(gòu)比例來進行設(shè)計，同時確保機身截面的最大寬度保持在翼展長度的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際的飛行過程中具有急回運動，左右機翼的運動具有對稱性，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)計方案

　　仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案必須嚴格按照設(shè)計要求來進行，防止仿鷹撲翼飛行器在運行的過程中出現(xiàn)左右機翼撲動不對稱的問題。通過對鷹的飛行模式進行觀察可知，鷹在飛行時不光會進行翅膀的上下?lián)鋭樱€伴隨著翅膀的展向的折曲運動及弦向的扭轉(zhuǎn)運動，因此仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)設(shè)計方案要充分考慮仿鷹撲翼飛行器機翼的形狀變化和撲動角度之間的聯(lián)系。例如：在多連桿撲動機構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計內(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

　　對于仿鷹撲翼飛行器多飛行模式整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，需要從更加立體的角度來進行，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身、撲動結(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)置兩個電機，通過改變仿鷹撲翼飛行器的撲動速度和扭轉(zhuǎn)速度，來實現(xiàn)仿鷹撲翼飛行器進行不同角度的撲動運動和扭轉(zhuǎn)運動相結(jié)合的飛行方式。這樣一來，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，并通過組合運動的方式來實現(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特性分析

　　3.1多飛行模式仿鷹撲翼飛行器氣動力計算模型

　　建立多飛行模式仿鷹撲翼飛行器氣動力計算模型，可以從更加直觀、更加多角度的層次來記進行多飛行模式仿鷹撲翼氣動性分析。首先，可以在仿鷹撲翼飛行器的機翼上建立坐標系，將機身的軸線方向作為x軸;機翼的弦向方向作為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，將仿鷹撲翼飛行器一機翼根部為軸進行上下?lián)鋭?并以機翼前緣弦線為軸進行扭轉(zhuǎn)運動，進一步得出多飛行模式仿鷹撲翼氣動力計算模型，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力特性分析

　　一般來說，鷹在不同的環(huán)境中進行飛行，會根據(jù)外部環(huán)境的變化來不斷調(diào)整自身的飛行方式，進而更好地保證飛行的穩(wěn)定性和高效性。基于此，在對仿鷹撲翼飛行器多飛行模式進行設(shè)計和研究時，要充分考慮多飛行模式仿鷹撲翼飛行器的氣動力特性。由于目前大部分仿鷹撲翼飛行器所采用的機翼種類，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。除此之外，對于多飛行模式仿鷹撲翼飛行器氣動力特性的研究，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一步優(yōu)化及研究

　　4.1多飛行模式仿鷹撲翼飛行器運動學模型

　　多飛行模式仿鷹撲翼飛行器運動學模型是根據(jù)鷹的翅膀為設(shè)計參數(shù)，來進一步研究鷹的飛行特點，從而對仿鷹撲翼飛行器進行優(yōu)化。目前大部分仿鷹撲翼飛行器的機翼大多是采用單段撲翼模型，主要運動類型為機翼展向撲動和弦向扭轉(zhuǎn)。為了使仿鷹撲翼飛行器的飛行方式更貼近于鷹，可以在當前基礎(chǔ)上，不斷進行多飛行模式的設(shè)計，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翼與鷹的翅膀更貼近。

　　4.2多飛行模式仿鷹撲翼飛行器運動特性

　　想要進一步優(yōu)化仿鷹撲翼飛行器的實際飛行狀態(tài)，就要對多飛行模式仿鷹撲翼飛行器運動特性進行深層次的分析。例如：根據(jù)仿生原理來制定參數(shù)，從而列出仿鷹撲翼飛行器機翼運動的參數(shù)方程，采用交互式優(yōu)化設(shè)計方法來對仿鷹撲翼飛行器的飛行方式進行優(yōu)化。確保仿鷹撲翼飛行器的最大撲動角和最大扭轉(zhuǎn)角更具有科學性，從而提升機翼的升力系數(shù)和氣動性能[2]。

　　結(jié)論：綜上所述，仿鷹撲翼的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式可以為飛行器提供更好的動力，因此要對仿鷹撲翼飛行器進行多飛行模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，仿鷹撲翼飛行器的氣動特性與機翼類型有著很大的關(guān)聯(lián)，在對仿鷹撲翼飛行器多飛行模式進行設(shè)計時，要充分考慮這個因素，進而不斷對仿鷹撲翼飛行器多飛行模式結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

　　參考文獻：

　　高穎,侯宇,華兆敏,等.仿鷹撲翼飛行器設(shè)計及多飛行模式的實現(xiàn)[J].機械設(shè)計,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人機發(fā)展歷程及技術(shù)特點[J].飛航導彈,2019(12):43-48+54.