折叠翼飞行器设计与气动仿真分析

　　摘 要：为提高扑翼飞行器的气动效率，分析自然界鸟类翅膀运动机理，设计拍打-折叠运动的仿鸟飞行器机构，实现了仿鸟翅膀“8”字型运动轨迹。区别于传统扑翼飞行器的膜状翼结构，模仿鸟类翅膀羽毛分层结构，研制出羽毛机翼。利用计算流体力学仿真软件 XFlow，研究机翼初始迎角，展弦比和扑动频率对折叠翼扑翼飞行器的气动特性影响。实验结果表明，机翼初始迎角在 5°时取得最大升阻比系数，有利于飞行器快速升空及平飞飞行;扑动频率在 4Hz~5Hz 范围内获得最佳气动效率;机翼展弦比为 3，扑翼飞行器获得较优气动性能。羽翼动力折叠翼飞行器成功飞行，为研制机翼多自由度变形仿生机器鸟提供理论可行性和有效飞行平台。

　　关键词：仿生;扑翼飞行器;折叠机翼;羽翼动力;气动仿真

　　1 引言

　　机翼扑动飞行的仿生飞行器具有高度仿生性和良好隐蔽性能[1]。近年来，许多受飞行生物启发的仿生扑翼机器人平台被研制出来[2]，昆虫级微型扑翼机有苍蝇[3,4]，delfly[2,5]等。鸟类作为常见的飞行动物也受到人们关注[6,7]。机翼可变形的机器鸟是仿生扑翼飞行器研究的一个活跃领域[8]。

　　同时为提高扑翼机适应复杂场景稳定飞行的能力，对仿生扑翼飞行器的气动性能研究也显得尤为重要。对于仿鸟扑翼飞行器研究，德国 Festo 公司仿照海鸥飞行姿态研制出的 Smartbird[9-11]成功飞行，区别于以往的扑翼飞行器的机翼骨架结构，Smartbird 将机翼分离成内段翼和外段翼[11]，使得机翼运动过程中可做两段翅膀的运动形态不同变化。

　　提出了内段翼提供主要飞行升力，外段翼提供主要飞行推力理论。Lentink 团队研发出一种带有真实鸟类羽毛并成功飞行的飞行器 PigeonBot[8], 通过风洞实验和外场空中飞行，发现翅膀不对称变形以及羽毛位置不同可以控制飞行方向，实现仿生飞行器在复杂环境中灵活飞行。昂海松团队[12,13]研究与设计多段柔性变体扑翼飞行器，探讨了扑翼流场涡结构，总结升推力产生机理。

　　杨永刚等[14]采用近似柔段翼思想建立扑翼机模型，并对此模型进行气动仿真实验，为柔性翼多自由度扑翼机研制提供理论基础。陈亮等[15]通过优化的叶素理论，对小型仿鸟飞行器在非常定流场条件下的气动特性进行研究。本文分析鸟类基本参数以及飞行姿态特征，设计具有“拍打-折叠”扑翼机构，建立三维折叠翼扑翼机模型，研制可折叠“铰链式机翼”，实现机翼翼尖“8”字形运动轨迹[16]，接近真实鸟类翅膀扑打状态。利用 CFD 软件对折叠翼扑翼机进行了低雷诺数非常定流场情况下气动仿真模拟，分析折叠翼飞行器初始迎角，机翼展弦比和扑动频率等对气动特性作用。最终研制“羽毛版”可折叠机翼，此飞行器以扑动羽毛机翼产生动力，并成功起飞并持续飞行 90 多秒后安全着陆。

　　2 扑翼机机构建模仿真

　　2.1 鸟类扑翼运动机理

　　文献[13]中通过对绿头鸭飞行动作进行研究，将鸟类飞行姿态分为以下阶段：下扑阶段：翅膀外翼翼尖从最高点运动到最低点的过程，全过程翅膀处于全展开状态。折弯阶段：鸟类翅膀下降至最低处，外段翼相对内段翼向下弯折。上扑阶段：鸟类翅膀外翼翼尖从最低点向上运动过程，整个过程鸟类整体成“M”字型，此时翅膀处于收缩状态。展平阶段：鸟类翅膀外翼相对内翼做舒展动作，外翼翼尖运动至最高点，整个翅膀全展开，准备进入接下来的下扑阶段。

　　2.2 扑翼机建模折叠

　　翼扑翼机运动模型参考海鸥外形，并在其翅膀复杂运动的基础上进行简化，在Solidworks平台上进行建模。该骨架模型包括主机身，尾翼，内段翼和外段翼等。鸟身(包括尾翼)长 1045mm，单边翼展长约 900mm，其中内段翼长 320mm，外段翼长约580mm，机翼平均几何弦长 280mm。

　　2.3 扑翼机传动机构设计

　　扑翼机两翼间扑打频率，幅度，变化相位在保持飞行器飞行稳定方面起到至关重要作用。在两翼对称拍打过程中，忽略环境因素的影响，受到的空气对机翼产生的力矩是相当等的。反之，两翼间不对称扑动，同时刻空气对两翼做功不同，产生滚转力矩，导致扑翼机无法平稳飞行。采用双曲柄双摇杆机构，平面对称传动模式。优势在于确保左右机翼运动保持一致，实现机翼对称扑打。单边曲柄使用 4 个 M2 沉头螺钉将其固定在主齿轮，机翼通过曲杆与曲柄相连。电机转动，通过减速比i=1:48 的减速齿轮组，实现两个主齿轮相对圆周运动，带动两边机翼的同时上下扑打运动。

　　2.4 机翼运动方程分解

　　鸟类翅膀复杂的运动形态，建立机翼模型，可实现鸟类飞行过程中扑打-折叠动作。针对机翼运动模式，点 G 为齿轮圆心，GA 表示曲柄，AC 为曲杆，长度已知;四边形 BCEF 为机翼的内段翼，其中点 D 为固定支撑点;EH 表示外段翼，通过铰链结构与内段翼相连。机翼内段翼与外段翼运动轨迹方程，主要体现为 E,H 两点。本文模型中所有杆子长度单位均为毫米。

　　2.5 扑翼机运动仿真

　　根据 2.4 节推导出的扑翼机内段翼与外段翼运动轨迹方程，对设计的机构进行运动学求解。根据给定折叠翼机构设计参数：翼展长度，内、外段翼长度，弦长参数。在机械运动约束条件下：曲柄长度：25mm≤lGA≤30mm;曲杆长度：45mm≤lAC≤50mm;摇杆长度：lCD≤lCE;固定支撑点D 与曲杆 C 点距离：40mm≤lCD≤50mm。实际飞行实验期望机翼扑动幅度 50°≤θ2≤70°;扑翼机扑打频率 f ≥ 3Hz。在Solidworks 平台上对设计的扑翼机模型进行基本运动仿真及 motion 分析。最终导出机翼运动轨迹。

　　3 扑翼机气动特性研究

　　3.1 三维气动仿真平台

　　搭建为了达到在运动状态下，研究扑翼机机翼初始迎角，展弦比及机翼拍打频率对气动特性的影响，本文对 23 组不同机翼初始迎角，7 组不同展弦比及 5 组不同拍打频率对折叠翼飞行器进行三维气动仿真实验和数据分析。选取机翼初始迎角变化范围在-10°~12°之间;模拟扑翼机展弦比为：1、1.5、2、2.5、3、3.2、4;模拟扑翼机机翼扑动频率：2Hz、3Hz、4Hz、5Hz、6Hz。在软件平台 XFlow 中选用虚拟风洞模式对折叠翼飞行进行气动仿真。

　　3.2 扑翼机机翼初始迎角对气动特性影响

　　本文以 NACA7412 翼型为计算模型，探讨机翼初始迎角对气动特性影响。以地面坐标系为基准，将机翼未开始运动，处于平放状态下具有的迎角设定为初始迎角。通常情况采用无量纲数升力系数 Cl，阻力系数 Cd 衡量飞行器运动中受到的升力及阻力。在 XFlow 平台下模拟不同机翼初始迎角下的 Cl，Cd 数据，并进行数据处理。选取初始迎角变化范围在-10°~12°之间，变化步长Δ=1°，约束条件：来流风速为 5m/s，雷诺数 Re 设定为 1.6×105。

　　随着扑动频率增大，机翼上下表面压强差值增大，扑翼机升力系数和阻力系数的波峰正向增大，波谷负向增加。在机翼扑动频率 4~6Hz 时，阻力系数负向峰值出现负数，即正向推力系数。

　　左侧为机翼下扑至最低点，右侧为机翼上扑，上扑过程中，外段翼相对内段翼做折叠运动。随着频率的增加，机翼附近的空气流速增大;下扑时，机翼上表面空气流速明显大于下表面，产生压差，使得飞行器获得升力，机翼折叠上扑时，由速度云图变化来看，机翼下表面空气流速大于上表面;折叠翼不对称运动，一个扑打周期内，空气对其做功不均等，使其飞行过程中获得更大的净升力。

　　4 羽翼动力飞行器飞行实验

　　鸟类翅膀不仅实现拍打-折叠两个自由度运动，还可实现翅膀合拢-展开，非对称伸展等多自由度运动。文献[8]指出，鸟类控制翅膀羽毛不对称变形从而快速转向，实现复杂环境高效飞行。传统扑翼机采用膜状翼结构，机翼覆膜区域连为一体，无法实现飞行器机翼变形。

　　本文仿照真实鸟类翅膀分层结构，研制出羽毛机翼，实现拍打-折叠两个自由度运动。羽毛机翼优势在于羽毛分层结构及羽毛独立性。在扑翼机未来研制中，控制每根羽毛的独立运动，实现机翼多自由度变形，使得人造机器鸟具有更强仿生性能，提高复杂环境飞行适应性。本文研制羽毛机翼实现拍打-折叠两个自由度运动。首次使用羽毛扑打产生动力实现人造机器鸟飞行[18]。扑翼飞行器扑打频率约4Hz，展弦比为 3.2，飞行时长 90s，证明仿真结果准确性，同时为研制机翼多自由度变形仿生机器鸟提供理论可行性和有效飞行平台。

　　5 结论

　　本文仿照真实鸟类飞行机翼运动机理，建立“铰链式”折叠翼扑翼机模型，在传统扑翼飞行器机翼基础上，通过铰链键将机翼分为内段翼和外段翼，并通过两段机翼间运动相位差，实现模仿鸟类扑打-折叠动作。通过模型运动仿真以及气动仿真实验，得出以下结论：

　　1) 建立折叠翼飞行器模型，实现内段翼往复运动，外段翼翼尖“8”字运动模式，成功模拟真实鸟类翅膀运动轨迹。与以往研究单自由度扑翼飞行器设计成果相符[16]，证明了模型的可行性。2) 仿真实验表明，扑翼机机翼初始迎角在 5°时获得最大升阻比系数;扑翼飞行器机翼展弦比为 3 左右气动性能较优;提高机翼扑动频率可提升扑翼机的气动效率，并在 4Hz~5Hz 范围内取得最佳气动效率。3) 羽翼动力扑翼飞行器外场成功飞行，验证了飞行器模型和仿真实验结果合理性、准确性，为后续仿生机器鸟复杂运动提供有效的实验平台。

　　参考文献:

　　[1] 昂海松. 微型飞行器设计导论[M]. 西安. 西北工业大学出版社, 2012.

　　[2] Matěj, Karásek, Florian T , et al. A tailless aerial roboticflapper reveals that flies use torque coupling in rapidbanked turns.[J]. Science, 2018, 361(6407): 1089-1094.

　　[3] Ma K Y , Chirarattananon P , Fuller S B , et al.Controlled flight of a biologically inspired, insect-scalerobot.[J]. Science, 2013, 340(6132): 603-607.

　　[4] Wood R J . The First Takeoff of a Biologically InspiredAt-Scale Robotic Insect[J]. IEEE Transactions onRobotics, 2008, 24(2): 341-347.

　　[5] De Croon G C H E , De Clercq K M E , Ruijsink, et al.Design, aerodynamics, and vision-based control of theDelFly[J]. International Journal of Micro Air Vehicles,2009, 1(2): 71-97.

　　[6] Pennycuick C J . Modelling the Flying Bird[M].Academic Press, 2013.[7] Weimerskirch H , Bishop C , Jeanniard-Du-Dot T , et al.Frigate birds track atmospheric conditions overmonths-long transoceanic flights[J]. Science, 2016,353(6294): 74.

　　作者：蔡毓 1，张振鸿 2，刘斌 1