扑翼机飞行器传动机构动力学分析报告

..扑翼机飞行器传动机构动力学分析摘要自古以来在天空中翱翔都是人们梦寐以求的,经历了几千年的研究,目前应用较为广泛的飞行器有固定翼飞行器、旋翼飞行器、扑翼飞行器。然而,扑翼飞行器多采用仿自然生物飞行特征研究得到,它具有良好的激动灵活性,很高的升阻比,而且尺寸相对较小,耗能较少,因此相比较固定翼和旋翼飞行器应用更加广泛,目前在民用、国防、军事领域中都有着很好的应用。从国内外研究现状中显示,目前扑翼机都处于研究阶段,远没有达到推广和大范围应用阶段,存在的问题也相对较多。本文以此为出发点,主要对扑翼机飞行器机构的动力学进行研究,通过对常见扑翼机飞行器传动机构的研究、分析和比较,发现其中的不足,本文在传统的曲柄摇杆的基础上对其进行改进,验证曲柄中存在夹角的曲柄摇杆机构在提高两侧摇杆同步性方面的优势,并且证实了不对称摇杆机构中曲柄存在夹角的情况,相比曲柄中不存在夹角的机构在减少左右摇杆相位差角方面更有优势,能提高不对称机构的同步性。通过对鸟类、昆虫两类生物飞行机理的研究,本文从仿昆虫、仿鸟类、仿蜂鸟三种生物对扑翼几飞行器尺度律进行分析,研究结果表明,扑翼飞行器与真实鸟类的尺度律之间还存在较大程度的差异。通过对扑翼机飞行器传统机构数学模型的建立、模型的求解和推导,得出最佳模型,并从常定力、惯性力以及阻尼力三个方面对飞行器进行了动力学仿真,定常力情况时,弹簧的存在使输入功率的峰值降低了86%,惯性力情况时,弹簧的存在使功率峰值降低了20%,阻尼力情况时,弹簧的存在使功率峰值升高了56%。从整个系统角度来说,弹簧通过对能量的储存和释放两个过程减缓了输入功率的峰值。为了进一步验证安装弹簧在减少功率峰值上的优势,对该进型的不对称传动机构机型了分析研究表明,安装弹簧之后功率峰值可以有效减少40.3%。针对扑翼飞行器续航时间短的问题,对采用太阳能电池板制作扑翼飞行器翅翼的方案进行了可行性分析。分析结果表明,采用太阳能电池板制作扑翼飞行器翅翼具有可行性,在电池板转化效率较高时,收集的太阳能可以提供扑翼飞行器飞行所需的全部能量。AbstractSinceancienttimes,flyingintheskyarecoveted,hasexperiencedthousandsofyearsofresearch,theaircraftwidelyusedfixedwingaircraft,rotorcraft,flappingwingaircraft.However,theuseofnaturalbiologicalresearchaircraftflightcharacteristicsimitation,ithasgoodemotionalflexibility,highliftdragratio,andrelativelysmallsize,lessenergyconsumption,sothecomparisonoffixedandrotarywingaircraftisusedmoreandmorewidely,atpresentinthecivilandnationaldefenseandmilitaryfieldhaveaverygoodapplication.Fromtheresearchstatusathomeandabroad,wecanseethatatpresent,theflappingwingaircraftisattheresearchstage,farfromreachingthestageofpopularizationandapplication,andtherearestillmoreproblems.ThisarticleasastartingpointforresearchonMechanismofflappingwingaircraftdynamics,throughresearch,analysisandcomparisonofthecommonflappingwingaircraftdrivingmechanism,foundtheproblem,basedonthetraditionalcrankrockerontheimprovementoftheexistingangleofthecrankrockermechanisminimprovingthesynchronizationofbothsidesoftherockertheadvantagesarevalidatedandconfirmedinthecrankangle,theexistenceofasymmetriccrankrockermechanism,thecrankangledoesnotexistinthemechanisminreducingaboutrockerphasedifferenceanglehasmoreadvantagesthancanimprovethesynchronizationoftheasymmetrymechanism.Throughthestudyofbirdsandinsectsoftwokindsofbiologicalflightmechanism,thispaperfromtheanalysisofseveralaircraftscalinginsectlikeflapping,imitationimitationbirds,threespeciesofhummingbirds.Theresultsshowthatbetweenflappingflightandrealbirdscalelawalsoinvolvesahighdegreeofdifference.Bysolvingthemathematicalmodelisestablished,andtheaircraftornithoptertraditionalmechanismmodel,theoptimummodel,andsimulatedfromthreeaspectsoftenforce,inertialforceanddampingforceofthevehicle,constantforcesituation,thepresenceofspringmakesthepeakinputpowerisreducedby86%,theinertialforcesituationthespring,thepeakpowerisreducedby20%,thedampingforcewhenthespringpeakpowerincreasedby56%.Fromthepointofviewofthewholesystem,thespringslowsthepeakoftheinputpowerbystoringandreleasingtwoprocessesofenergy.Inordertofurtherverifythattheinstalledspringhastheadvantageofreducingthepowerpeakvalue,theanalysisandresearchoftheasymmetrictransmissionmechanismofthistypeshowthatthepowerpeakcanbereducedby40.3%afterinstallingthespring.Theflappingwingaircraftbatterylifeshortproblem,tomakeflappingflightwingsusingsolarpanelsforfeasibilityanalysis.Theanalysisresultsshowthattheproductionofflappingwingaircraftwingswiththefeasibilityofusingsolarpanels,highconversionefficiencyinsolarpanels,tocollectsolarenergycanprovidealltherequiredflyingwingaircraft.目录摘要1Abstract2第1章绪论51.1课题研究背景与意义51.2扑翼机飞行器国内外研究现状81.2.1国外理论体系及装置研究现状81.2.2国内理论体系和装置研究现状91.3扑翼飞行器机构非定常气动机理111.4本文主要内容与章节组织结构12第2章扑翼机飞行器及传动机构的分析与优化132.1常见扑翼机传动机构的研究132.1.1单曲柄遥感传动机构132.1.2双曲柄遥感传动机构132.1.3空间曲柄摇杆机构132.2扑翼飞行器翅翼研究142.3.1刚性仿生翼142.3.2柔性仿生翼142.2扑翼机传动机构的优化设计152.2.1机构分析152.2.2模型建立与求解162.3本章小结20第3章扑翼机飞行器参数设计213.1生物飞行机理分析213.1.1鸟类飞行机理分析213.1.2昆虫类飞行机理分析243.1.3两类生物飞行机理差异性分析273.2扑翼机飞行器参数的分析283.2.1传动机构对称性分析283.2.2机构对比分析303.3不对成机构的扩展分析303.4扑翼机飞行器尺度律分析323.4.1防昆虫扑翼飞行器323.4.1仿鸟扑翼飞行器353.4.2仿蜂鸟扑翼飞行器383.5本章小结39第4章扑翼机飞行器传动机构设计404.1扑翼机飞行器传动机构数学模型的建立404.2角位移的推导与求解404.2.1角位移的推导404.2.2最小传动角的推导424.3扑翼机飞行器动力学仿真434.3.1定常力情况分析434.3.2惯性力情况分析454.3.3阻尼力情况分析464.4本章小结48第5章扑翼机飞行器传动机构功耗分析495.1不对称机构功耗对比分析495.1.1机构模型建立495.1.2仿真对比分析495.2扑翼机飞行器功耗分析525.2.1太阳能电池板扑翼模型525.2.2太阳能电池板扑翼功耗分析535.3本章小结56第6章总结与展望57致谢58参考文献59第1章绪论1.1课题研究背景与意义扑翼机飞行器实际上是一种仿生飞行器,它可以像鸟一样通过机翼主动运动产生升力和前行力,所以又可以成为振翼机[1-5]。该类型飞行器主要有三个特征：其一,机翼是处于主动运动状态；其二,通过机翼在空气中拍打二获取的反力作为升力及前行力；最后,通过机翼及尾翼的位置在飞行中的变化进行机动飞行[6][7]。向鸟一样在空中自由翱翔一直以来都是人类的梦想,从古希腊工程师代达洛斯及他的儿子就开始有这种设计想法,中国汉朝的史书中也记载了王莽曾经就观察过最早的扑翼飞行器的飞行测试。这种仿生扑翼飞行器通常重量和体积都相对较小,飞行器各项结构尺寸不超过15厘米,体重也大概在10-100克范围间,续航能力在20-60分钟,其飞行速度为30-60公里每小时,最大航程为1-10公里。正是由于其具有自助飞行,携带任务载荷执行特定的任务、通信及传输信息等基本特征,在军事及侦察行业中会有广阔的应用前景。所以,扑翼机飞行器正越来越受到学者、研究机构等关注,并且国家也在大力支持该项科技的稳定、快速的进行。在早期由于受到科技、理论知识、科学推理技术水平的限制,虽然国内外学者关于飞行器进行了大量的研究,但是仅仅是的单纯的模仿生物飞行,并没有完全的将扑翼机飞行器的飞行方式弄清楚。但是的学者以树叶、羽毛、布匹等各种材料做成翅膀,并奢求人类能够通过带上这种翅膀能够像鸟一样在天空翱翔,然而理想是美好的,现实情况是难以实现,最终也没有将这种想法变为实际的应用。后来,人们慢慢的观察到鸟的飞行特点,以其飞行为参照,将研究的重点放在了固定翼上,并且很快取得了非常显著的成效,如今的打飞机就是采用的固定翼原理实现的,从而实现了人类长期梦想在天空飞翔的愿望。固定翼飞行器的飞行原理是依靠着气流经机翼上表面和下表面所产生的不同压力来获取升力[8-10],然而在飞行器的体积减小,机翼的结构发生变化的情况下,其参数雷诺数也就大大降低,此时固定翼飞行器在飞行过程中就会出现很多的问题,主要表现在：〔1存在升力不足情况,这是因为随着飞行器的飞行体积的降低,固定翼飞行器的飞行面积减小,上下翅翼的气流多产生的压力差降低,所以升力就难以解决自身重量带来的问题。〔2小体积物理在低雷诺数下的空气动力学问题。在实际飞行器设计中,对于大客机、直升机一般的雷诺数需要达到107左右,而对于小型无人机则雷诺数就小,一般在50-107之间,因此传统的空气动力学理论就不能很好的解释其飞行机理。〔3对气流的抵抗能力变弱,由于扑翼机飞行器尺寸较小,机翼空气动力产生的升力随着时间的变化变得较为剧烈,波动值会大大增加。当遇到意外的气流变化,会导致飞行器难以稳定飞行,产生较为剧烈的波动,甚至可能出现坠机情况。〔4飞行器的尺寸变小导致翅翼无法达到足够的升力,进而通过燃料提供的推力具有更高的要求,但是受限于自身的重量和体积,推进系统难以携带大量的燃料,所以给飞行器的设计带来了极大的挑战。此外,旋翼飞机也是应用较为广泛的一种飞行器,如执行飞机,但是当飞行器的尺寸减小时,旋翼飞机所遇到的问题与固定翼飞机所遇到的情况类似。因此,学者逐渐的将注意力转移到怎样研制出一种在低雷诺数下能够提供较大的升力并且能够对外界气流环境具有较强的抵抗力的飞行器。科学家们通过对世界范围内的生物进行观察发现,飞行器的面积减小可以通过改变飞行器的飞行方式来获得足够的提升力[11],扑翼飞行器就慢慢的进入到学者眼中。经过长时间的进化,生物的飞行技巧已经变得相当成熟,能够快速的完成起飞、避开障碍物、翻转、滑翔和降落等动作,无论是动作的还是准确性都相对较为出色。之所以具有如此强大的优势,是因为生物翅膀所生长的材料较为特殊,两翼的结构也很特别,在实际的飞行过程中能够很好的利用周围的非定常气流产生足够大的升力；同时还得益于生物通过肌肉、骨骼、翅脉以及翅膜等可以有效的利用体内的化学能,而且骨骼之间的连接摩擦较小,能量损失较少[12]。因此,学者就希望研制出一种飞行器,它的质量、体积、飞行机制、能源效率、灵活性、准确性、飞行技巧能够与生物飞行相似,那样对于人类的飞行就会进一步的发展。但是,在实际的研究过程中就会出现很多的困难,取得的成就也相对有限。通过学者们的不断探索、研究,加之科学技术、理论知识等变得更加先进、丰富,发现扑翼相比较其他几种飞行器具有显著的优势。主要表现在：扑翼机飞行器能够很好的将爬升、推进和悬停等过程有效的融合在一起,能够有效的利用能源使飞行器的续航时间得到最大；在扑翼机飞行器起飞的时候对环境的要求相对不是非常苛刻,即便是在较小的场合也能顺利的启航,能够通过加速振翅频率来原地起飞,不需要滑行过程；具有很好的机动性能和灵活性〔尤其是在低速的情况下,可以迅速的改变飞行姿势,避开障碍物,于是在将来的很多方面都有很好的前景；扑翼机飞行器具有较为广阔的应用前景,无论是在军事领域还是在民用领域,扑翼机飞行器的开发潜力巨大,这是因为它的飞行器具有特殊的结构,能够完成其他飞行器不能完成的特殊的功能。如=1\*GB3①低空侦察,通过高空对地面物体进行侦察和探视目前应用较为广泛的是采用军事卫星或者是无人间谍机来实现,但是因为侦探离地面较高,所以很难对地面上的向此情况进行侦察,因此在实际的战争中,如果想要准确的获取到敌人的情报就相对比较困难,若派遣士兵进行打探,又会给士兵带来潜在的危险,造成不必要的人员伤亡,然而扑翼机飞行器尺寸较小,具有较强的隐蔽性,而且能够轻松的完成低空侦探,能够到达人难以到达的危险区域；=2\*GB3②城市作战,在不久的将来军事对决将在居民较为集中的中大型城市中展开,由于在此环境下居民较多,建筑物较为复杂,城市路况也比较复杂,在此情景下,为了避免伤害无辜市民,可以应用扑翼机在相对狭小的空间中进行穿梭、打探敌情或者实现自毁式攻击,从而能够较为迅速的结束战争；=3\*GB3③进行电子对抗和中继通信等相关任务。扑翼机飞行器能够携带电子干扰器进入敌方阵营,对敌方的雷达等无线通信设备进行强有力的电子干扰,对敌方的通信频段进行拦截,从而获取敌方的重要信息；此外当无线通信链路出现意外故障的情况下,通过扑翼飞行器还可以对其故障进行诊断和维修,并提供通信中继；=4\*GB3④核、生化探测,扑翼机飞行器能够潜入到核泄露和生化污染区域进行探测,对生命进行查找,对核污染程度进行检测,实现了人无法完成的任务；=5\*GB3⑤民用领域,野外作业人员可以通过扑翼机飞行器对地形探测、远距离通信,自然灾害现场进行监控以及自然灾害来临时的物资投放,机场周围开展鸟类驱逐,公安武警在执行案件侦查时对犯罪团伙的实时监控以及边境地带的军事巡逻等任务。扑翼飞行器是一种模仿鸟类或者昆虫飞行姿态设计出来的新型飞行器,在实际研制过程中需要涉及到仿生学、空气动力学、结构力学、MEMS技术、微传感器技术等[13-15],其相关技术已经超出了传统飞机设计的研究范畴,是一个多学科的交叉研究领域。由于其存在诸多的优势,在军事和民用领域上具有广泛的应用前景。扑翼飞行器的传动机构是飞行器的直接动力驱动源,其传动机构的好坏直接关系到扑翼飞行器整体性能。好的传动机构可以提高飞行的控制性和稳定性,进而提高飞行效率、延长续航时间。扑翼飞行生物的翅膀拍动及相应的变形极其复杂,从仿生学出发设计机械传动机构,难免只能做到形似而神不似,很难实现生物机体的一样地高效率。因此,研究传动机构的动力学性能,优化机构设计,提高传动效率自然显得尤为重要。1.2扑翼机飞行器国内外研究现状扑翼飞行器从最初的设想到目前的实际开发已经有几百年的历史,在这过程中,科研工作者为扑翼飞行器的研究工作做了不懈努力,主要包含两方面：一是关于扑翼飞行的空气动力学理论问题,二是关于扑翼飞行器的应用开发工作。从研究的先后顺序来讲,应该是先将扑翼飞行的空气动力学理论研究清楚之后,再有扑翼飞行器的应用开发工作。但事实上,由于扑翼飞行空气动力学问题的复杂性,扑翼飞行器开发人员往往是对飞行生物仿生并进行逆向设计,在开发出扑翼飞行器的基础上,再对运动机构和气动性能进行优化。1.2.1国外理论体系及装置研究现状早在1973年Weis-Fogh就在生物学资料基础上展开了对小黄蜂飞行机理的研究[16],并且通过长期的研究研制出一种能够瞬间产生升力的Weis-Fogh机构,并对产生瞬时升力的原理进行了阐述,即为ClapandFling机理,人们对于Weis-Fogh机构有了初步的认识,并展开研究和应用。再经过20年,Delaurier通过对条带理论的研究并加以改进[17-18],以此对扑翼在拍动和俯仰运动中的空气动力学的模型进行了建立,并且通过计算得出拥有一个翼展达18英尺、拍打频率达到1.2Hz、飞行中的速度为44英尺/秒的扑翼模型的平均升力、推理和输入功率。在此之后,针对扑翼机模型的研究,Vest、Smith、Hall、Jones等人都从不同的角度对扑翼的飞行机理进行了研究,得出不同空气动力学模型[19-22]。Ramamurti在1999年采用有限元的方法对组合扑翼动作的非定常流场进行模拟和研究[23],WeiShyy等人从仿生学的基础上提出了一些能够解决微型扑翼飞行器设计过程中所遇到的关键问题,该解决方案的提出是在低雷诺数下扑翼气动力和柔性翅翼对扑翼飞行的影响的研究基础上进行的[24]。当代的很多机构在对扑翼飞行器进行了深入研究,美国加利福利亚大学伯克利分校早在1998年就开始对昆虫的飞行方式进行了观察和研究,发现了他们飞行的巧妙之处,并制作了扑翼机MFI,该机构的驱动方式是采用将压电陶瓷置于交流电场中实现,飞行器能源采用的是太阳能提供,整个机构重约43g,直径长约5-10mm。1999年Vanderbilt大学根据压电原理特性研究制作出CIM飞行器[25],他主要是由4个翅膀组成,采用的是锂电池提供飞行器能源,压电材料能够产生伸缩,并通过放大装置转化为翅膀的拍打动作。20XXSRI国际公司与多伦多大学采用校企合作方式研制出Mentor扑翼机[26-27],它是由两个翅膀和一个尾翼组成的,而它的能源提供者是采用人造肌肉,这种扑翼机控制相对较为复杂,因而并没有得到突破性进展,仍然处于初级阶段。加州理工大学与加州大学联合研究出一款名为Micro-Bat型扑翼机[28-30],它是由一个翅膀和一个尾翼构成的,可以通过携带摄像机来实现对周围环境的视频监控,供电能源采用的是镍镉电池,由于飞行控制尚有缺陷,目前还不能很好的解决。美国GTRI研究所、英国剑桥大学、ETS实验室共同开发了以往复式化学肌肉为能源的名为Entomopters扑翼机飞行器[31-33],该飞行器的缺陷是携带的储备燃料相对有限,所以难以持久飞行。美国航空环境公司设计了"蜂鸟"飞行器,整个机构体型相对较小,能够放置于手掌中,而且外型也是模仿蜂鸟设计的,能够有较好的灵活性,可以在室外编队飞行,具有良好的抗干扰型,能够在风速在2.5m/s的环境下飞行,可以说是当前研究的最好的微型放生扑翼飞行器。1.2.2国内理论体系和装置研究现状国内对于扑翼机飞行器研究起步相对较晚,理论知识、研发经验尚处于积累阶段,对有关的扑翼机飞行器的理论知识认识分布不均,大多是集中在国内的某几所工科院校和科研机构,在材料的加工方法上和微型化方面相比较国外仍然需要很大的努力,而且获得的实质性的进展和成果想对较少。首先,对于学者而言,扑翼机飞行器是一个相对较新的领域,能够激发他们对知识的追求兴趣,所以很多学者都在参与扑翼机的研究上。李峙岳采用平面连杆机构演化的再生运动链方法对扑翼飞行器的机构进行了优化设计[34],通过对机构原型是六杆七副传动机构的多次推导产生多种类型并择优选择,通过对该机构运动学的建立和优化后结果显示机构的不对称程度下降到原来的20.41%,通过对动力学仿真,得到在不同减速比或者不同的负载还有不同输入力矩的情况下系统运转规律。宋海龙根据对扑翼机各个关节部位质量的测量以相应特点的分析建立了扑翼机运动方程[35],并且对扑翼机飞行器的载荷计算方法进行了研究,得出了扑翼机飞行器的升力、推力产生原理。张福梁以蝇为仿生对象,按照仿生扑翼飞行肌传动系统对扑翼机飞行器进行研究[36],设计出了能够click双稳态非线性的扑翼机飞行器结构,通过微力材料试验机InstronMicroTester5848,对飞行器模型的柔性传动结构施加准静态的载荷,测出仿生柔性传动结构的恢复力。刘聪在综合各种仿生扑翼飞行器的基础上建立了单曲柄双摇杆驱动机构的运动参数数学模型及其在ADAMS中的仿真模型[37],同一参数在这两类模型下的运动曲线图完全一致,验证了数学建模与仿真建模的正确性,为了提高单曲柄双摇杆驱动机构的运动对称性,以其左右扑翼角之差和角速度之差的幅值在运动周期内同时尽可能的小为优化目标,在二者数学模型的基础上构造了综合评价函数,并在机械学与仿生学的约束条件下进行了优化设计。曾锐等人通过非定常涡格法的计算,分析了仿鸟复合振动的扑翼气动特性[38]。刘德明等从鸟类、昆虫的结构和运动角度探讨了它们的飞行机理清华大学的曾理江等利用光学测量的手段,从综合测量昆虫结构和运动参数着手研究了昆虫的扑翼机理[39],孙茂等采用数值模拟计算方法研究了昆虫产生高升力的机理,取得了很多成果[40]。侯宇等人对昆虫的研究特性进行了分析和研究[7],研发出了一种仿生扑翼机飞行器,该飞行器的驱动方式是采用交变电流,翅翼按照一定的频率进行上下拍打,而且具有较简单的控制方法。贾明等人通过将昆虫翅膀进行了挥动分解[41],并分为上下拍打和扭转实时耦合,在此研究基础上研制出了一款扑翼机,该机构的拍打动作采用的两套曲柄摇杆对称布置实现。张西金等人在基于电磁振动的原理上研制了能够输入不同交流电流的扑翼飞行器[42],通过分析翅膀的振动情况得到了最佳的拍打频率。徐一村等人提出并构建了一种基于空间曲柄摇杆机构的林翼传动装置[43]。计算仿真和样机试验结果表明,与平面摇杆扑翼机构相比,两翼扑动对称性有很大提高；试飞实验表明在朴翼飞行器中采用空间曲柄摇杆扑翼机构能够提高滚转稳定性。虽然在国内有如此多的人对扑翼机飞行器进行了研究,通过分析不难发现,研究机构基本上是出于仅有的几所高等院校,如西北工业大学、清华大学、北京航天航空大学等。这就表明在中国扑翼机飞行器的研究并没有大范围的展开,而且很少有社会研究机构参与,没有达到应用阶段。由于院校毕竟不是盈利机构,还需要更多的研究机构的参与,进行校企合作研制,在人才的输入、研究的经费上都会有很大的改观。1.3扑翼飞行器机构非定常气动机理自然界中的生物飞行主要是依靠热气流或者障碍物〔如高山、森林等热气流产生升力和推力来完成飞行,而空气流动产生的涡的脱落方式又会对飞行机制产生影响,翼的外形及结构具有柔性,通过深入分析翼涡相互间的作用及流固耦合的影响关系。下面是常见的非定常气动机理。拍-挥机制文献[16]中Weis-Fogh通过对昆虫的飞行进行研究提出了产生高升力的机制。通过日常生活中对小蜜蜂的观察不难发现,在飞行时,小蜜蜂首先是将两翅膀拍到一起,然后再迅速挥动,从而使得空气产生间隙,通过定常的估算可得到这种机制产生的升力是无法满足小蜜蜂飞行的,所以Weis-Fogn就认为蜜蜂在挥动飞行中,翅膀在快速打开后形成了环量,从而得到升力。文献[44]对其理论进行了分析,文献[45]通过试验验证这种猜想的正确性,并且文献[46]从数值模拟的方法中也得到了该机理的正确性。拍-挥机制通过对翅膀做扑动运动使得升力增强,充分利用能量,自然界中有很多生物,如飞蛾、蝴蝶、果蝇等,都是应用这种机制来产生飞行中的升力[47]。<2>快速旋转文献[48]中发现,在翅膀完成扑动后,昆虫的扑翼都会存在一个快速旋转的运动,从而增强了气动力。这种旋转的产生主要是通过控制平移运动和旋转运动产生相位差来实现,<2>快速旋转Dickinson等[48]发现,在每次扑动结束时刻,昆虫的扑翼通常会有一个快速旋转的运动,可增强气动力,如图2所示。通过控制平移运动和旋转运动的相位差来实现,如果在扑动运动结束前就朝正确方向快速翻转即可有效增强升力,称为提前旋转。如果推后旋转,则会减小升力[49],快速的旋转可以有效增加升力[50]。<3>前缘涡导致的失速延迟Ellington等[51]提出前缘涡导致的失速延迟可以显著增强扑翼产生的升力。他观察到鹰蛾翅膀上的失速涡在整个拍动过程中均不脱落。前缘涡使得翼面产生低压区,对翼表面产生吸力因而可以增加升力。但前缘涡受到很多参数的影响,雷诺数、减缩频率、斯特劳哈尔数、翼的柔性以及扑动规律等。Rival等[52]利用PIV方法试验研究了雷诺数为30000时前缘涡和运动参数的相关性,研究发现细致调节扑翼的运动规律可以保持前缘涡稳定,从而延迟失速,展向流动为稳定前缘涡做出了相当的贡献。<4>尾迹捕捉尾迹捕捉机制通常可以在翼涡交互作用中观察到,当扑翼转换扑动方向时,会遇到前次扑动产生的涡,导致翼面流动速度增加并产生额外的升力峰值。研究表明,尾迹捕捉的效果和涡量的分布与大小的时间变化规律有关[53]。Wang[54]和Shyy等[24]利用二维翼型的数值模拟分析了尾迹捕捉的升力增强原理,如图4所示。<5>被动俯仰扑动反向时,受到惯性力的作用,扑翼会扭转变形产生一个类似被动俯仰的运动。该俯仰现象与扑动运动的相位对比可以分为延迟、同步和提前这3种模式。研究发现扑动频率和结构固有频率决定了被动俯仰的模式。当扑动频率小于固有频率时,扑翼为提前俯仰模式。这种情况下,2个扑动周期间的尾迹交互作用可对升力起到增强作用[55]。在二维翼型的流动结构中可以观察到,发生被动俯仰的柔性翼表面的前缘涡比刚性翼保持得更久[56]。<6>翼尖涡对于有限翼展的固定翼来说,翼尖涡会造成升力损失和阻力增加[57]。然而非定常流动中,翼尖涡在翼尖附件产生一个低压区,和前缘涡产生一定交互作用,不断脱落构成各种结构的涡系。在扑翼悬停飞行中,以特定的方式扑动,则可以使翼尖涡产生好的影响。1.4本文主要内容与章节组织结构根据以往的研究经验,以及本实验室的研究条件,本论文制定的研究内容如下：第二章主要研究扑翼机飞行器及传动机构的分析与优化,从本章对扑翼机的传动机构进行机构分析,以及模型的建立和数学模型的分解,可以得出曲柄摇杆机构的设计目标预定值,比如架长度d、曲柄固结夹角β和摇杆转角范围φ。,并根据所得的结果,对其以往不合理的结构进行优化分析和改造升级。第三章主要研究扑翼飞行器参数化设计。本章先是对现有鸟类飞行机理进行归纳并对总结的结果进行比对分析。此外从结构与运动参数的角度讨论了仿昆虫、仿鸟、仿蜂鸟扑翼飞行器仿生设计需要遵从的仿生学原理,研究结果表明,扑翼飞行器与真实鸟类的尺度律之间还存在较大程度的差异。最后从本章的气动力机理、翅翼结构机理讨论仿昆虫扑翼飞行器的外形尺寸范围,以及仿鸟类飞行器的扭转角度,折叠过程,对翅膀的扭转而产生的升力对飞行的影响。第四章主要研究扑翼机飞行器传动机构数学模型的建立角位移的推导与求解扑翼机飞行器动力学仿真。本章节对在传统不对称摇杆机构基础上改进的摇杆机构进行分析,验证曲柄中存在夹角的曲柄摇杆机构在提高两侧摇杆同步性方面的优势。建立不对称摇杆机构的简化模型,根据约束条件和设计目标,得到两侧摇杆极限偏差角最小情况下的杆长的理论最优解,并分析了公式在实际应用中存在的缺陷。第五章主要研究扑翼飞行器传动机构的动力学问题。针对动力装置目前并没有很好地解决扑翼飞行器续航时间的问题,本章节研究扑翼飞行器的传动装置,通过提高传动机构的传动效率来提高能量利用率,从而提高扑翼飞行器单次飞行时间。采用曲柄摇杆机构作为扑翼飞行器的传动机构来控制两侧翅膀的拍动是目前大多数扑翼飞行器的选择,其结构简单、加工方便。为了提高传动效率,本章节在曲柄摇杆机构中引入弹簧装置,作为能量缓冲和储存装置来提高能量转化率。通过将扑翼飞行器传动系统进行统一建模,将作用在上面的气动力简化为一常力和阻尼力,在传动机构上安装弹簧进行功率消耗分析。并针对扑翼飞行器续航时间短的问题,对采用太阳能电池板制作扑翼飞行器翅翼的方案进行了可行性分析。第2章扑翼机飞行器及传动机构的分析与优化2.1常见扑翼机传动机构的研究2.1.1单曲柄遥感传动机构该机构具有较为简单的结构,单曲柄摇杆机构因为其结构简单,所Ｗ—般的仿生扑翼机都把它作为翅翼驱动机构。该机构采用两套并联的曲柄摇杆机构叠加而成,它的各杆件尺寸完全相同且曲柄是共用的,可以把一个曲柄的回转运动转化为两个摇杆的摆动,进而带动翅翼做拍打动作。所以它结构简单,可以把整个系统做到很小,且整体质量轻。但它的不足是由于曲柄的旋转运动对于两个摇杆不是完全对称,造成左右翅翼的拍打不同步,有一定的相位差。这就导致在同一个时刻左右翅翼所处的空间位置、速度不同,那么两个翅翼所受到空气动力也就不同,不利于飞行器的平衡特性,在扑翼机飞行时会发生倾斜、震动甚至坠机等意外事故。西北工业大学周凯、方宗德等人基于单曲柄摇杆机构研究了一种驱动机构。当曲柄以—定速度做圆周运动的时候,通过连杆的传动就可以把旋转运动转化为固定于两摇杆上左右翅翼的上下拍打运动。针对这种结构的飞行器左右翅翼运动不完全对称,建立了单曲柄摇杆机构在一个周期内两个摇巧的位置角度之差和角速度之差的模型,对其进行优化,增强了仿生扑翼飞行器的运动对称性。但机构的对称性只能提高,不可能完全消除。2.1.2双曲柄遥感传动机构为了解决机构运动的不对称性,若通过齿轮、齿轮副或滑动副把单曲柄摇杆机构的运动支链分离,成为双曲柄双摇杆机构；或者利用曲柄滑块机构使得连杆的运动对祿于机身纵面,则可Ｗ保证两侧机翼扑动完全对称。但是由于引入了诸轮副或滑动副,传动效率会有所损失,且増加了结构体积和重量。2.1.3空间曲柄摇杆机构仿生扑翼飞行器的左右翅翼拍打不完全对称,主要是由于曲柄的转动在机身纵面内不对称所造成的。所以只要保证飞行器左右翅翼的传动支链对称与机身纵面,那么仿生扑翼飞行器的两翼拍巧动作也是完全对称的。把空间曲柄摇杆机构中的曲柄垂直对称安装于机身纵面,翅翼左右支链的传动便对称于机身,那么翅翼的运动也就左右一致了2.2扑翼飞行器翅翼研究仿生扑翼飞行器是通过振翅运动获得向上的升力和水平方向的动力。合理的对翅翼进行设计不仅可Ｗ使机身的总体质量得到有效控制,还能够有效地改善扑翼机的受力情况,有利于运动机构的设计。2.3.1刚性仿生翼大多数昆虫的翅膀很薄,不像鸟类翅膀分布着羽毛,翅膀的柔性较差,基本不会发生形变,属固定翼范畴。昆虫的飞行雷诺数〔Re很小,在5-100之间。把昆虫的翅膀模型放在对应的Re下进行常规空气动力学分析,实验显示翅翼模型所产生的升力很小,难以克服它自身的重量。比如,果蛹翅翼模型在试验中的得到的升力系数最大值只有0.6；蜡蜡的翅翼模型的升力系数最大值只有约1.0,都远小于实际的升力系数。那就证明了昆虫翅膀是依靠非定常空气动为学来获得升力的。针对基于昆虫飞行的刚性翼研究,国外相对比较成熟的高升力机制有：拍合飞行机制〔Clap-Fling、延时失速机制〔DelayedStall、旋转环流机制〔RotationalCirculation、尾流捕捉机制〔WakeCapture。国内许多科研团队在昆虫翅膀的升力机制领域也取得了瞩目的成果。基于刚性翅的观点,大部分研究者认为可Ｗ把翅翼的一个拍打周期划分为以下四个阶段：①翅翼以—定攻角向下摆动。②翅翼下拍到达最化点以后,沿它自身的轴线方向扭转改变攻角并开始上挥。⑤翅翼以—定攻角上挥。④翅翼上挥到达最高点以后,沿它自身的轴线方向再次扭转改变攻角并开始下拍。如此周而复始。2.3.2柔性仿生翼东南大学在仿生扑翼飞行器方面也取得了丰硕的成果,通过对扑翼机的传动机构和模型驱动以及系统控制等方面进行剖析,综合前人的设计案例,设计了第一代仿生林翼机样机。在此基础上,他们对林翼机翅翼运动方式和昆虫的飞行姿势进行严格的对比分析,提出了一种全新的理论一一"柔性锲形效应"。并把昆虫翅膀之所以可以获得足够的升力来克服自身的重量归功于迭种所谓的"柔性锲形效应"。该观点认为,翅膀在上下拍打的过程并没有主动的发生扭转反应,而是在受到外界的空气力之后被动地发生一定的变形来适应外界环境,这种运动方式被称为节律运动。基于柔性翼的观点,国内外科研工作者也做了很多研究。XX航空航天大学王妹飲等人在基于仿生学理论,建立了翅翼的运动学和空气动力学模型,并以此为基础对各种翅翼进行了实验研究。实验现象证明,所研究的各类型翅翼都可产生一定的升力,其中升力值最大的要属柔性翅翼,它的运动特性要比其他翅翼都好,并且通过改变翅翼的拍打频率以及运动幅值可有效地提髙翅翼的受力情况.西北工业大学邵立民、宋笔锋和杨淑利20XX11月发明了一种两段式微型扑翼飞机机翼,可Ｗ有效解决有弧度的机翼阻力较大、平面型机翼气动性能底下的问题。这种机翼由内翼段和外翼段两部分组成。内翼段靠近机身纵面,由４根固定在翅翼主梁和尾梁的弧形翅脉组成,然后在上面蒙上翅翼薄膜,因为它的弧形结构,內翼段的刚性比较好,在翅翼下拍的过程中可Ｗ产生较大升力,上挥阶段又能有效减小空气阻力；外翼段采用平面型结构,由两条纵向翅脉和一根斜梁支撑。因为外翼段呈平面型,所Ｗ刚性比较低,在翅翼运动过程中会发生被动变形,可有效提高系统的气动性能。西北工业大学宋笔峰、王利光和樊邦奎等20XX4月发明了一种微型扑翼机的柔性机翼。整个机翼由五根翅脉、一根主梁、一根尾梁和一根辅助梁四部分组成。五根翅化长短不同,而且有一定的弧度,两端分别固定于主梁和尾梁：主梁呈平直状；尾梁前半部分平直,后半部分呈弧形且与主梁末端连接；辅助梁也有一定的弧度,与经过的翅化固定连接。整个机翼从内向外刚性逐渐降低、结构相对简单、制作方便,在翅翼拍打过程中有较好的空气动力学性能。综上所述,为了获得更大的升力,使结构简单,易于控制,选择柔性机翼为本课题的翅翼形式2.2扑翼机传动机构的优化设计2.2.1机构分析应用在扑翼飞行器上的曲柄摇杆机构分为两类,对称模式和不对称模式,对称模式是指机构运动过程中,左右两边摇杆始终对称,不存在相位角差,而不对称模式存在相位角差。不对称传动机构具有结构简单、空间紧凑等优点,该机构已经成功应用在国内外很多扑翼飞行器上,包括加州理工学院的"Microbat"、XX淡江大学的"GoldenSnitch"和国内西北工业大学的"Npu-sentinel"等[58-61]。但是,不对称机构同样存在缺陷,当扑翼飞行器翅膀的拍动频率较高时,由于传动机构两侧摇杆存在相位角差,会加剧左右机翼气动力不等,造成飞行器振动并降低飞行过程中的平稳性[62-64]。周凯和张亚峰等借助MATLAB优化工具箱,通过设定目标函数和约束条件来优化不对称摇杆机构的杆长度,最终使两侧摇杆相位差达到最小[65-67],该方法虽然可行,但处理过程繁琐,而且由于机构构型的局限性只能使两侧摇杆相位角差减少到一定程度。为近一步改善两翼的对称性,徐一村和董二宝等[68-70]。在传统不对称扑翼机构的基础上提出改进构型,将两连杆与曲柄的转动副分离,用成一定夹角固结的两曲柄分别连接左右两连杆,从而提高两侧摇杆的同步能,荷兰代夫特科技大学的"DelFlyI"和日本东京大学的"BTO"扑翼飞行器成功采用该改进的摇杆机构实现飞行[71][72]。曲柄摇杆机构的对称模式和不对称模式分别如图2-1<a>和图2-1<b>所示。相对于图2-1<b>中两连杆与曲柄共用一个转动副,本文对如图2-2所示的曲柄摇杆机构进行研究,该机构两侧曲柄成一定夹角固连在一起,分别连接两侧连杆。曲柄成一定夹角固连的单曲柄双摇杆机构本质上是对单一曲柄双摇杆机构的扩展,传动机构的驱动源还是一个,区别在于曲柄与两侧连杆的转动副由一个变为两个。图2-1扑翼飞行器曲柄摇杆机构模型图2-2曲柄成一定夹角的单曲柄双摇杆机构2.2.2模型建立与求解扑翼飞行器的不对称摇杆机构中曲柄成一定夹角固连的构型如图2-3,β为两侧曲柄固结的夹角,φ为摇杆上拍极限位置和下拍极限位置之间的夹角,简称摇杆的转角范围,单曲柄双摇杆机构中的曲柄长度、连杆长度、摇杆长度和机架长度分别为a、b、c、d。图中标注的和分别为两侧曲柄相对于水平方向的转角,和分别为两侧连杆相对于水平线的转角,和分别为两侧摇杆相对于水平线的转角。其中机架长度d、曲柄固结夹角β和摇杆转角范围φ为常数,是曲柄摇杆机构的设计目标预定值。图2-3不对称传动机构模型左右曲柄摇杆机构拍动过程中始终在一个坐标平面内,根据平面机构的基本方程,则机构满足的关系式：<2.1><2.2>因为曲柄固结的夹角β为定值,所以机构在拍动过程中,两曲柄的转过的角度与固结夹角之间满足关系式：<2.3>对于该不对称曲柄摇杆机构,两摇杆拍动是不完全对称的,存在相位角偏差,假设偏差角的大小为δ,则两侧摇杆相对于水平线的转角与相位偏差角之间的关系为： <2.4>考虑到扑翼飞行器飞行过程中左右翅膀的气流对飞行稳定性的影响,要求尽可能使两侧翅膀同时达到最高点和同时达到最低点,对于不对称曲柄摇杆机构而言,就是两侧机构需同时达到曲柄与连杆重合的位置,转化为曲柄摇杆机构杆长的约束条件即为： <2.5> <2.6> <2.7>图2-3所示的不对称摇杆机构由于自身结构属性,在运动的一个周期内,左右两侧摇杆始终存在相位角差,对该不对称摇杆机构的同步性能优化问题上只能使得δ尽可能小,而无法消除。在理想状态下要求,为求解曲柄摇杆机构使得相位角差最小时的杆长度,假设,结合关系式<3.1>~<3.7>可求解使时摇杆的最佳长度：<2.8>式中,从c的最佳长度关系式可知,摇杆c的最佳长度始终是随变化的,而实际应用在扑翼飞行器上的曲柄摇杆机构杆长度是固定不变的,杆长动态变化的机构在实际工程中实现很难。因此,需要在摇杆长度最优解中选取一个固定值,同时使δ尽可能小。摇杆长度c中包含变量,这里引入范围的变量,则c的取值可以表示为： <2.9>对于上面摇杆长度c的表达式中,x如何取值才能使两边摇杆的相位差角达到最小。考虑到曲柄摇杆机构在拍动的一个周期中两摇杆之间相位差角是变动的,把变动的相位差角绝对值的最大值称之为极限偏差角,用表示,把其作为衡量曲柄摇杆机构中两侧摇杆同步性的指标,摇杆拍动的一个周期内,值越小则两侧摇杆的同步性越好。当,,x取不同值时对应的极限偏差角如图2-4所示。从图中可以看出,x取0.75时对应的值最小,这也就表明x=0.75时表示的由公式得出的杆长度可以使两侧摇杆的同步性能达到最优。图2-4x值对极限偏差的影响图2-4反映的是当β和φ取某一特定值时,使得两侧摇杆极限偏差角最小的x取值为0.75。但是,针对不同的设计目标,β和φ为其它角度时,x值又该如何确定。图2-5示意的是当β和φ取不同值时,两摇杆之间的极限偏差角取得最小值时对应的x值,在图示的β和φ取值范围内,使极限偏差角取得最小值时占所有x情况取值的53.37%,虽然使得两边摇杆相位差角最小而x不为0.75的情况也占很大一部分比例,但是x取值始终在0.75上下浮动,于是综合考虑,使得单曲柄摇杆机构同步性能最佳的x取值为0.75。图2-5不同情况下极限偏差角最小对应的x值采用上述研究方法对该机构进行优化之后,得到曲柄摇杆机构同步性能最佳的杆长度分别为： <2.10> <2.11> <2.12>2.3本章小结本章主要是针对现有常见的扑翼机结构,按照一定的规律,进行归纳分析气机构特征,其中包括结构相对较为简单的单曲柄遥感传动机构,该机构采用了两套遥感结构,所以在机翼的左右两侧的拍打节奏上又有一定的错位,这也是这款机型飞行不稳定的主要因素；此外还有机翼相对较为对称的双曲柄遥感传动机构,但是这款机械传动机构也存在结构笨重的问题；此外还有就是在空间上去解决上述问题的空间曲柄摇杆机构。此外,从过往的飞行器设计规律,以及仿生物学的研究可以看出,基于刚性翅的观点,大部分研究者认为可Ｗ把翅翼的一个拍打周期划分为Ｗ下四个阶段,机翼由内翼段和外翼段两部分组；柔性仿生翼的内翼段靠近机身纵面,由４根固定在翅翼主梁和尾梁的弧形翅脉组成,然后在上面蒙上翅翼薄膜,因为它的弧形结构,內翼段的刚性比较好,在翅翼下拍的过程中可Ｗ产生较大升力,上挥阶段又能有效减小空气阻力；外翼段采用平面型结构,由两条纵向翅脉和一根斜梁支撑。因为外翼段呈平面型,所Ｗ刚性比较低,在翅翼运动过程中会发生被动变形,可有效提高系统的气动性能。从本章对铺一级的传动机构进行机构分析,以及模型的建立和数学模型的分解,可以得出曲柄摇杆机构的设计目标预定值,比如架长度d、曲柄固结夹角β和摇杆转角范围φ。第3章扑翼机飞行器参数设计3.1生物飞行机理分析3.1.1鸟类飞行机理分析〔1翅翼结构机理在大自然中的所有飞行动物中,鸟类的飞行能力最强,然而鸟翼又是鸟类飞行的主要器官,它的翅翼骨骼较轻薄,并有充气现象。在大自然的进化中,鸟类很多骨骼在适应飞行生活情况下而逐渐的合并和消失。如前肢方面：手骨〔腕骨、掌骨以及指骨逐渐简化和合并,前肢仅仅能够在一个平面行作折翅和张翅的关节运动,因而有利于在胸肌支配下形成一个有利的抗击空气的整体。鸟类翅膀上的羽毛也是鸟翼的关键组成部分,根据羽毛所处于的部位不同,可以将手骨着生处的羽毛称之为初级飞羽,在前臂着生处的羽毛称之为次级飞羽,鸟在空中飞行的过程中,初级飞羽和次级飞羽所产生的飞行力不同,初级飞羽主要是产生推力而次级飞羽产生升力。此外在鸟翼的腕部〔翼嘴处有一小簇羽毛,主要的作用是控制鸟类的飞行。每一支飞羽都是由羽轴和羽片组成,其中羽轴深入皮肤内,而羽片由羽轴两侧平行伸出的很多羽枝组成,每个羽枝两侧密生成排的羽小枝,上有钩突,彼此钩连,所以就会构成坚韧而且富有弹力的羽片。各羽从外向内依次覆盖。羽轴在气流作用下还略有旋转能力,因而当鸟类扑翼飞行时飞羽之间随扬翅而出现裂隙便于空气通过,而在扇翅时各羽联合成严实的翼面以获得最大的动量。整个鸟翼的背部为弧面,空气流过时能产生大的升阻比,有利于飞翔。图3-1鸟类翅翼结构〔2飞行特征机理鸟类主要飞行类型有滑翔、翱翔以及扑翼三种。滑翔：滑翔是鸟类常见的一种飞行方式,主要是从高处向地处飞行时所采用的飞行手段,飞翔之所以能够维持,其原因在于它满足：体重/速度=移动距离/失高,根据运动学原理知,升力和阻力的比值越高和飞翔角度越小情况下,滑翔速度就较慢,所以此时就会获取较远的水平滑翔距离,在鸟类的扑翼飞行过程中通常是伴随着滑翔,尤其是在需要着落之前。翱翔：鸟类在这种飞行方式下飞行时,能量主要是来自空气中的气流,而并不需要消耗鸟类自身肌肉收缩的能量,通常情况下可以将翱翔分为静态翱翔和动态翱翔两种,静态翱翔获取的飞行力主要是来自上升的热气流,或者是遇到山、森林等障碍物时产生的上升气流,老鹰、乌鸦等鸟类能够将这种垂直动量及能量转换成升力和推力；动态翱翔主要是采用不断变化的水平风速和时间产生的水平动气流,如大型海鸥就主要采用的这种飞行方式,风吹过海面,离海面越近越容易因摩擦力不断增加导致阻力增加,所以在大概45米高的气层中产生许多切层,其风速从最低处的零达到最高处的最高速,海鸟就应用动量在气流中盘旋升降,不需要扑翼就能够在空中持续翱翔。扑翼飞行：借助发达的肌肉群扑动双翼而产生能量,是飞行动物最基本的飞行方式。鸟类多作扑翼飞行。它们沿水平路线飞行时,翅膀向前下方挥动产生升力和推力,当推力超过阻力,并且升力等于体重时就能保持继续向前的速度。鸟类在正常飞行中扬翅时不产生推力,而是靠前一次扇动时产生的水平动量向前冲,内翼<次级飞羽>则产生升力。鸟类翅膀的形状,翼幅,负载,翼面弧度,后掠角以及飞翔的位置,均随每一扇翅而发生显著变化。扑翼频率和幅度也随翼的连结角和飞行速度而改变。鸟类翅膀的运动形通常有扑动、折叠、扭转以及挥摆等四种方式,其中扑动是指翅膀绕与飞行方向相同的拍打轴的角度运动；折叠是翅膀沿翼展方向的伸展与弯曲。翅的折叠运动不是必需的,但这可以使得飞行更省力。在上拍过程中,阻力会急剧增大,这时如果翅膀折叠,就可以减少迎风的有效面积,从而减小阻力；扭转是指绕翅膀中线的角度运动,它可以倾斜翅膀以改变其迎角大小,通常鸟类在扑翼过程中翼根和翼稍之间会形成几何相对扭转,外翼部分的扭转比较大,带动内翼作小角度扭转。当向下扑翼时,翼内侧产生升力和阻力,翼外侧产生升力和推进力,如此在整个翼面上形成的总空气动力方向指向前上方〔可分解为向上的总升力和向前的总推进力；挥摆：是指翅膀绕与机身垂直轴的角度运动,此时翅膀平行于机身做前后挥动。对于大型鸟类来说,翅膀的扭转与挥摆角度很小,而折叠过程比较明显,此时翅膀的下拍与上提会有不同的升力系数,由此产生的升力对扑翼飞行的总升力有相当大的贡献；对于小型鸟类,翅膀的扭转与挥摆角度相对较大,而折叠过程不很明显,此时由于翅膀的扭转而产生的升力对总升力有较大的贡献。〔3气动力机理从鸟类翅膀的扑动阶段考虑飞鸟产生升力的机理,可以分为上扑和下扑两个阶段考虑下扑阶段是产生升力的主要阶段。这一阶段占整个扑动周期的时间比较大,飞鸟扑动的主要力量也都用在这一阶段。这时由于飞鸟的翅膀完全展开,翼展和升力面积都是最大,从而升力也达到最大,提供了整个扑动周期的大部分升力。上扑阶段是为了使翅膀回复到最高点以便开始下一周期的扑动,是一种被动的回复过程。所以飞鸟总是想方设法缩短这一阶段。这时飞鸟收拢翅膀,同时散开主羽,使上下翼面空气可以沟通,这样既能保持一定的推力,又可减小上扑的阻力。从空气动力效应考虑其产生升力的机理。a>卡门涡街：当机翼突然启动时,会在后缘处产生一个起动涡随气流向后运动。因此,当机翼周期性扑动时,会在扑翼后产生一系列尾涡,简称涡街。1935年卡门在研究中首先发现,尾涡中涡的方向和位置,直接决定了机翼产生的是推力还是阻力。当位于尾涡中心面上方的一组涡按逆时针转动,而位于下方的按顺时针转动时,在尾涡中心面附近形成一个量值更大且方向与前方来流方向一致的流动区域,此时尾涡诱导出推力,如图所示。但是简单扑翼会使很大一部分扑翼功率以涡的形式消耗在尾涡中,除非扑翼频率非常低,否则推进效率相当低。b>涡环模式与连续涡线式：对于扑翼而言,产生升力并不难,难的是怎么样用最小的输入功率产生最大的升力。这就要求鸟类必须在产生足够升力的同时尽量使阻力减小。为了最有效的产生升力,鸟类进化过程中形成了两种截然不同的扑动模式：涡环模式和连续涡线模式。涡环模式主要是低速飞行的特征,此时尾迹在宏观上表现为一个个环形涡；翼展较大的鸟类主要使用连续涡线模式。而此时从翼尖拖出两条类似于固定翼飞机翼尖涡的连续涡线。这两种情况都可以满足诱导尾涡损失的能量最小要求。3.1.2昆虫类飞行机理分析〔1翅翼结构机理很多昆虫类飞行动物的翅翼结构都是由翼脉和翼膜两部分组成,其中翼脉能够将翼展方向外伸展的横脉和纵脉连接起来,以秆线状形式呈现,具有较大的刚度,而翼膜的形状是面片状,能够作为横脉和纵脉周围区域之间的填充,具有良好的柔韧性。这种关系就如同日常生活中的雨伞一般,伞骨如同翼脉,而伞布如同翼膜,翼脉支撑翼膜。而从结构力学的角度来看,昆虫的翅翼一般属于悬背梁结构,在该结构下,昆虫翅翼能够承受空气力换热惯性力的弯扭组合作用力。在昆虫翅翼的翼根处,它的刚度、强度以及质量都是昆虫翅翼上最大的地方,其优势是使得翅翼的质量中心和惯性矩都是往身躯处集中,从而增加了翼的柔度、减小惯性阻力。昆虫在实际飞行过程中,当遇到障碍物时,翅翼能够达到弯而不折程度,而且能够迅速恢复原状。此外,昆虫的肌肉与神经只能到翼根处,所以这就导致昆虫的翅翼上是没有肌肉和神经系统的,所以与鸟类的构型就完全不同,昆虫翼根处的特征就是为了其控制飞行,并为翼在飞行时提供动作上的便利,所以昆虫扑翼频率要远远高于鸟类的原因,而且双翼却还能做出复杂的动作。蝴蝶、蛾子等鳞翅目昆虫翅翼上的鳞片形成了美丽的图案,试验研究发现这些鳞片能够增加的升力。苍蝇几乎透明的翅膀上覆盖着大量的微小绒毛,一些更小的昆虫,其翅膀是毛发状的而不是薄膜状的。理论和试验结果表明对于雷诺数小于的翅膀,薄膜状的翅膀具有优越性而对于雷诺数小于的情况,自然界的昆虫翅膀既有薄膜状的,又有毛发状的当雷诺数小于时,翅膀已经不再适用。总的来说,身躯细长的昆虫一般具有狭长的翅翼具有短椭圆形躯干的昆虫一般具有宽阔的翅翼。图3-2昆虫翅翼结构昆虫的飞行方式与鸟类有很大的差别,昆虫没有滑翔飞行方式,扑翼飞行是昆虫必不可少的,翱翔放行方式昆虫可以加以利用但是无法单独进行,它是利用上升的热气流或者遇到森林、高山等障碍物产生的热气流而进行翱翔,但是也是必须有扑翼飞行的辅助。昆虫羽翼因其特有的结构决定着它扑翼飞行没有折叠动作,但是昆虫的扑动、扭转、摆动的飞行动作要比鸟类大得多。〔2气动力机理因为昆虫具有较多的品种,它们飞行雷诺数范围也较广,从10到10000都存在分布。本文研究昆虫气动力机理从低雷诺数非定空气动力学着手,但是目前人们对这一雷诺数范围下的空气动力学性质了解很有限,还处在研究和探索阶段。尽管如此,人们还是取得了不少研究成果,掌握了部分昆虫产生高升力机理的奥秘。目前人们掌握的昆虫产生高升力的机制有如下几种延后失速、旋转环流、尾流捕获和一机制。其中前三种是从实验中得到的,一机制是在研究小黄蜂等昆虫生物学资料的基础上,提出的一种能产生瞬时升力的机制。1延后失速昆虫的振翅频率较高,攻角增大到失速角后,翼切断产生升力的气流还需一定时间,所以昆虫翼不会立即失速。翼前缘涡流的存在,失速的最初阶段实际上增加了升力。翼前缘涡流只在翅前缘上方和后方形成,很像长的圆柱形旋涡,由此在翼上方形成的极低气压产生了巨大的升力。涡流极快地在翼上分离,散布到昆虫的尾流中,这本来会造成升力突然下降,但是由于昆虫振翅时间极短,涡流产生后翼迅速向反方向旋转,在前一次涡流消失时,在反方向立即形成一个新的涡流。这样,昆虫翼上方始终保持一个低压区,所以昆虫在扑翼的任一时刻都是有升力产生的。2旋转环流解释什么是旋转环流,我们不妨先了解一下马格纳斯效应。马格纳斯效应是关于棒球的物理学现象,棒球在只做旋转运动时,其表面附近的空气也随之流动,且二者运动速度相同,这时棒球表面的压强是处处相等的。棒球被击打出去后,它在做平动的同时也在绕自身轴线转动,根据速度叠加原理,上下必有一边的空气流速较大,由伯努利原理可知,空气流速大的地方压强小,棒球会向压强小也就是流速大的一方偏转。旋转环流的原理马格纳斯效应相似,翼要产生向上的力,其旋转必须发生在上拍或者下拍动作快要结束的时候,这时翼前缘的翻转线速度恰与翼平动速度方向相反,根据马格纳斯效应,会产生向上的力。3尾流捕获尾迹干涉是指翅膀在上扇与下扇转换阶段,翅膀以相反方向遇到转变前扇翅过程所产生的空气流动,这种干涉会增加翅膀与空气之间的相对速度,给翅膀增加额外的气动力。4Weis-Fogh机制昆虫的双翼扑动到最高点时,两翼面保持对应翼脉平行的合在一起,然后翼前缘绕翅后缘快速的分开,这时空气迅速向两翼之间流动,并随着两翼的向外分开而形成一种环绕翼面流动的空气环流,其结果是在向下扑翼的开始阶段产生很大的升力。当两翼面张开到一定程度时,两翼面彻底分开,分别继续作平动。这就是一机制。脉翅目,鳞翅目,半翅目,直翅目的昆虫均能利用该机制.产生高升力。然而对于Weis-Fogh机制背后的力学原理,人们还未彻底掌握。3.1.3两类生物飞行机理差异性分析在讨论鸟类与昆虫扑翼飞行的异同之前,我们先讨论一下常规飞行器与它们的区别与联系：常规飞行器飞行雷诺数一般在106-108之间,鸟类与昆虫的飞行雷诺数一般在10-105之间。显然,鸟类与昆虫的飞行雷诺数范围跨度比常规飞行器的大很多,涉及到的空气动力学原理也复杂的多。常规飞行器的翼都是刚性翼,鸟类与昆虫的翼都可以有较大幅度的变形,属于柔性翼。常规飞行器采用固定翼或者旋翼方式飞行,鸟类与昆虫都是以扑翼方式飞行的。在飞行速度上常规飞行器远远超过鸟类与昆虫,但是在航程能耗比常规飞行器又远远落后于鸟类与昆虫,如3厘米长的海蜻蜓能够连续飞行1000公里,身长只有厘米的金储鸟可在海洋上空飞行4000公里而体重只减轻60克。一句话,常规飞行器的产生不过一百多年的历史,而昆虫和鸟类令大凉叹的飞行能力与技巧则是几千万年的漫长进化的结果。常规飞行器的研制受到了鸟类飞行的启发,微扑翼飞行器的研制更需要向昆虫和鸟类等自然界中的"微型飞行器"借鉴和学习。鸟类与昆虫虽然有区别,但是并没有明确的分界线,如最小的鸟类—蜂鸟就兼具有鸟类与昆虫的飞行特征。从前面的结构分析、运动分析和机理分析可得出关于鸟类和昆虫扑翼飞行的典型差异及其对微扑翼飞行器设计的一些借鉴：鸟类的飞行雷诺数一般在103-105之间,昆虫的飞行雷诺数一般在10-104之间。飞行雷诺的差异导致了鸟类与昆虫结构与飞行机理上的不同,如鸟类一般都具有流线型躯体结构,而昆虫则不具有。鸟类的翅膀运动是由肌肉直接驱动的,而昆虫的翅膀上没有附着肌肉,其运动是由根部的骨骼变形所产生的,翅膀的运动状态只能从根部来控制。所以昆虫翅翼的驱动方式为微扑翼飞行研究提供了一个相对简单的模型〔3鸟类能够主动改变翅膀的几何形状如伸展、拱起等以获得最佳的气动力特性昆虫翅膀的变形是在根部控制作用与空气阻力作用下的被动变形。所以对于特征尺寸较大的仿鸟微扑翼飞行器,翅翼可以通过在关节处设置微型驱动以及柔性铰链来获得主动变形而特征尺寸较小的仿昆虫微扑翼飞行器,可以通过合理的翅翼形状与翅脉布局来获得被动变形。〔4昆虫飞行时的扑翼频率要远大于鸟类,而且翅膀的扭转角与挥摆角也要大得多。故仿鸟扑翼飞行器的驱动机构可考虑采用精密机械传动机构,而仿昆虫微型扑翼飞行器的驱动机构可考虑采用静电驱动、压电驱动、形状记忆合金等驱动方式,并使激励频率等于运动机构的自然频率以使其工作在共振状态下。〔5鸟类和昆虫扑翼飞行过程中单位体重所需要的能量不同。如鸽子持续飞行所需要的能量为,而昆虫飞行所需的能量仅为其左右。这一点可以为微扑翼飞行器的动力选取及重量分配提供借鉴。〔6除了通过两侧翅翼拍动方式的改变来控制飞行姿态外,鸟类还可依靠遍布羽毛的尾翼来提供额外升力以及控制飞行姿态昆虫可以依靠躯干提供辅助的姿态控制,某些昆虫能够通过改