类扑翼飞行器及其叶片流场特性研究

一、课题背景现在和未来的飞行机器人设计方向是期望机器人是小巧的、手提的、可随身携带的，像昆虫一样超低空飞行，能够灵活地完成侦查和搜索任务。

随着空气动力学和MEMS 制作等技术的发展，飞行器的小型化、微型化的研究越来越引起重视，微型飞行器（MAV）的出现正是这些研究的产物。

MAV一般是指翼展长度在15cm左右，重量在几十克至上百克，有效载荷20g，航速64~80km/h，留空时间20~60min，航程数10km；它应有实时成像、导航及通讯能力，可用手、弹药或飞机部署。

由于微型化的飞行器在众多领域有不可估量的应用潜力，因此世界许多发达国家已经将MAV技术列为研究的重点。

1992年，美国兰德公司（RAND）提交DARPA的一份关于未来军事技术的研究报告首次提出了MAV的概念。

该报告认为，携有微小传感器、尺寸极小的侦察飞行器的设想可以实现的，发展尺度位于昆虫量级的微型飞行系统对美国在未来保持军事领先具有重要意义，MAV将会改变未来的战争模式。

此后，麻省理工学院(MIT)的林肯实验室(Lincoln Laboratory)和美国海军研究实验室(NRL)对MAV技术上的可行性进行了更为深入的评估，得出了与兰德公司一致的结论。

微型飞行器的概念唤起了巨大的研究热情，得到世界上许多国家的广泛关注，如澳大利亚、德国、日本、俄罗斯、印度、以色列等，他们继美国之后纷纷成立专门研究机构、投入研究经费。

二、MAV飞行方式的选择MAV通过机翼与周围空气的相互作用产生克服自身重力的升力，从而实现空中飞行之目的。

目前MAV根据其翼型运动方式的不同可分为3类，分别为固定翼、旋翼和扑翼。

固定翼MAV在空气动力学方面面临着不少技术问题。

由于尺寸限制，固定翼通常采用小展旋比机翼布局，升阻比较小，升力面积也比较小，而且MAV飞行的速度也比较小(人约lOm／s左右)，所以很难提供足够的升力。

由于尺寸小和航速低，MAV的流场雷诺数比常规的飞行器小得多，传统的空气动力学理论已经不再适用。

扑翼飞行器的动力特性分析发布时间：2021-04-12T10:17:47.717Z 来源：《文化研究》2021年4月下作者：段佳俊欧菀琦侯嘉朔[导读] 扑翼飞行器是一种模仿动物飞行的新型飞行器，其具有仿生性且飞行声音小、隐蔽性好、飞行效率高、噪声小、机动性能好等特点，因此无人机发展的一个重要方向便是仿生扑翼飞行器。

在现代的仿生扑翼飞行器的设计和制作当中,动力学性能和气动力学性能是影响其飞行性能的重要指标。

四川成都西华大学航空航天学院段佳俊欧菀琦侯嘉朔 610039摘要：扑翼飞行器是一种模仿动物飞行的新型飞行器，其具有仿生性且飞行声音小、隐蔽性好、飞行效率高、噪声小、机动性能好等特点，因此无人机发展的一个重要方向便是仿生扑翼飞行器。

在现代的仿生扑翼飞行器的设计和制作当中,动力学性能和气动力学性能是影响其飞行性能的重要指标。

通过ADAMS运动学仿真分析可以有效针对扑翼飞行器的动力特性问题，结果显示该模型具有良好的动力学性能。

关键词：扑翼飞行器主动折弯动力学分析飞行控制地面站引言：研究人员对仿生扑翼飞行器通过不断的研究、设计和制造出各种结构形式的扑翼飞行器，并逐渐实现该飞行器的飞行模式。

目前，国内外研制的仿生扑翼飞机大多是以空间曲柄摇杆机构为驱动机构的单级扑翼飞机。

与飞机飞行和旋翼飞行器的飞行模式不同，扑翼最早的成果主要是模拟昆虫飞行的飞行器,其特征是单级扑翼飞行,比较著名的成果有佐治亚大学研制的昆虫翼飞行器以及加利福尼亚州理工大学的仿蝙蝠式飞行器。

为了解决传统的单级的缺点扑翼飞机气动特性较差,本文模仿海鸥的飞行特性,设计了一套多级仿生扑翼驱动机构与活跃的弯曲,通过改变翅膀的翼面形状来增加升力,依靠翅膀的主动变形来减小空气的阻力。

1.多段式仿生扑翼飞行器模型建立通过观察海鸥的飞行规律，可以发现翅膀在一个拍动周期内表现出周期性运动规律。

当拍动时，翅膀被拉直，使翅膀的受力区域尽可能大。

在最低点时，外翅开始内收折叠，在升力阶段，翅膀不断折叠以减小升力阻力。

扑翼飞行器翅翼结构设计与气动性能研究摘要：由于扑翼飞行器在众多领域中具有不可估量的发展前景，是世界许多科研机构重点研发对象。

为提高飞行器的飞行性能，分析不同鸟类的分析特点，运用Solidsworks软件构建出单段式、两段式、三段式和拍式四翼单段式的翅翼模型，然后在Fluent软件中进行三维模型瞬态气动性能分析，采用UDF自定义函数和动网格进行仿真模拟计算，得到了不同翅翼的升力系数、阻力系数和升阻比，并对翅翼表面压力场进行分析。

由此可知，翅翼自由度越大，翅翼表面相对最大压力值随着翅翼自由度增加而增大，相对最小压力值随着减小。

关键词：扑翼飞行器，翅翼结构，Fluent，气动性能Abstract：A flapping wing aircraft has an immeasurable development prospect in many fields, which is a key research and development object of many scientific research institutions in the world. In order to improve the flight performance of the aircraft the flighting characteristics of different birds was analyzed, and the single section, two-stage, three-stage and beat type four wing single section wing models was constructed by Solidsworks. Then, the transient aerodynamic performance of the three-dimensional model was analyzed in fluent software. The UDF function and dynamic grid were used to simulate and calculate the lift coefficient of different wings. The pressure field on the wing surface was analyzed. It can be seen that the larger the degree of freedom of the wing is, the greater the value of the relative maximum pressure on the surface of the wing increased, while the relative minimum pressure value decreased.Keywords：Flapping wing aircraft, wing structure, Fluent, aerodynamic performance1.绪论微型飞行器(MAV)概念是20世纪90年代才开始提出的，根据其翼型运动方式的不同可以分为3类，分别为固定翼、旋翼和扑翼。

扑翼飞行机器人的设计与飞行力测试研究近年来，随着科技的不断发展，扑翼飞行机器人作为一种新型的飞行器，受到了越来越多的关注。

与传统的固定翼飞行器相比，扑翼飞行机器人模仿了自然界中鸟类和昆虫的飞行方式，具备更好的机动性和适应性。

本文将重点介绍扑翼飞行机器人的设计原理和飞行力测试研究。

首先，扑翼飞行机器人的设计原理主要受到了生物学的启发。

通过研究鸟类和昆虫的翅膀运动方式，科研人员发现，它们的翅膀在飞行过程中不仅向下挥动，还会向前拉伸和向上翘起。

基于这一发现，扑翼飞行机器人的设计者们开发出了一种能够模拟这种翅膀运动的机械结构，使得机器人能够更加灵活地飞行。

其次，针对扑翼飞行机器人的飞行力测试，科研人员们也进行了大量的研究。

他们首先通过数值仿真的方法，模拟了机器人在不同飞行速度下的气动特性。

然后，利用风洞实验对仿真结果进行了验证。

这些实验结果表明，扑翼飞行机器人的翅膀运动能够产生足够的升力和推力，使得机器人能够稳定地飞行。

此外，科研人员们还对扑翼飞行机器人的控制系统进行了研究。

他们发现，通过调节翅膀的挥动频率、挥动角度和挥动幅度等参数，可以实现机器人的姿态调整和飞行轨迹控制。

这些控制参数的优化研究，为扑翼飞行机器人的飞行性能提供了重要的理论基础。

总之，扑翼飞行机器人的设计与飞行力测试研究在科学界取得了不少进展。

通过仿生学原理的应用，科研人员们设计出了能够模仿鸟类和昆虫飞行方式的机械结构。

通过数值仿真和风洞实验，他们验证了扑翼飞行机器人的飞行能力。

此外，控制系统的研究也为机器人的飞行性能提供了可靠的支持。

相信在未来的日子里，扑翼飞行机器人将会迎来更加广阔的发展前景，为人类带来更多的惊喜和便利。

doi：10.11832/j.issn.1000-4858.2020.12.013扑翼飞行器的动力特性及其气动性能张0,侯悦民，王思琪(北京信息科技大学机电工程学院，北京100192)摘要：在现代的扑翼飞行器的设计和制作当中，动力学性能和气动力学性能是影响其飞行性能的重要指标。

为了更好的研究扑翼飞行器的飞行性能，通过ADAMS运动学仿真,设计了6组不同杆长的实验以获得扑击幅度更大的扑翼及其角度、位置等动力学特性，并通过Fluent重叠网格的仿真，将MATLAB拟合的翼型模型导入其中以探究其升阻力特性，获得相关的气动力学性能与仿真结果，包括速度云图、压力云图以及扑击的速度和频率对升阻力系数的影响，最后目标是得到提高扑翼飞行性能和扑动幅度的方式。

关键词：扑翼飞行器;动力学；翼型；气动力学；升阻力；拟合方程中图分类号:TH138；TH128文献标志码：B文章编号：1000-4858(2020)12-0081-08Dynamis Characteristics and Aerodynamis Performance ofFlapping-wing AircraOtZHANG Yan,HOU Yue-min,WANG Si-qi(Mechanical and Electricci Engineering Department,Beijing Information Science and Technology University,Beijing100192)Abstract:During the reseerch process of modem flapping-wing aircraft,dynamic performance and aerodynamic performance arc important indicators,which dect the flight performance.In order te have a better study of the flight performance,止60arc six sets of experiments wit dVerent rod lengths designed to obtain a greater flapping amplitude by ADAMS simulation.Angle,position and othes dynamie characteristicr cm also be obtained from our experiment.And then by using oversee grid function of Fluent,the aimoit model fitted by MATLAB is imported to explore the resistance characteristicr and relevent aeodynamic performance.In this way the siniuUtion results aro obtained,Including the velocity cloud contouo,pressure cloud,and the influence of fighting speed and frequence on lifting resistance coefficient.The fina goa is te gS a greatee amplitude d ae flapping wing and the flying performance.Key wordt:flapping wing aircraft,dynamic,31X01-,aerodynamicr,lift resistance,fitting equation引言扑翼飞行器是一种模拟自然界中生物飞行的飞行器,其特征是可以通过扑翼的扑击拍动直接提供飞行所需的升力和推力，不同于飞机飞行和旋翼的飞行模式。

扑翼飞行原理扑翼飞行原理是指动物或飞行器利用翅膀进行飞行的基本原理。

扑翼飞行是一种复杂的运动方式，涉及到动力学、空气动力学、生物学等多个学科的知识。

在自然界中，许多动物都利用扑翼飞行进行移动，比如鸟类、昆虫等，它们的飞行原理值得我们深入探讨和研究。

首先，我们来探讨鸟类的扑翼飞行原理。

鸟类的翅膀是扑翼飞行的关键器官，它们的翅膀结构和飞行方式各有不同。

一般来说，鸟类的翅膀由羽毛、骨骼、肌肉等组成，这些结构协同作用，使得鸟类能够在空中飞行。

当鸟类振动翅膀时，产生的升力和推力使得鸟类能够飞行。

同时，鸟类还利用尾部的羽毛来进行姿态调整，保持飞行的稳定性。

总的来说，鸟类的扑翼飞行原理是通过翅膀的振动产生升力和推力，从而实现飞行。

其次，我们来讨论昆虫的扑翼飞行原理。

昆虫的翅膀结构和鸟类有所不同，它们的翅膀通常由薄膜状的翅片和脉翅组成。

昆虫利用翅膀的振动来产生升力和推力，从而实现飞行。

与鸟类不同的是，昆虫的扑翼飞行更加灵活和多样化，它们可以进行短距离飞行、盘旋飞行甚至是倒挂飞行。

这些都得益于昆虫独特的翅膀结构和飞行方式。

总的来说，昆虫的扑翼飞行原理是通过翅膀的振动产生升力和推力，实现多样化的飞行方式。

除了自然界中的动物，人类也利用扑翼飞行原理进行飞行器的设计。

比如，著名的莱特兄弟就是通过研究鸟类的飞行原理，设计出了世界上第一架成功的动力飞机。

他们发现，鸟类的扑翼飞行原理可以应用于飞机的设计中，通过控制翅膀的振动和姿态，实现飞机在空中的飞行。

这一发现对于现代航空工业的发展产生了深远的影响，扑翼飞行原理成为了飞机设计中的重要理论基础。

综上所述，扑翼飞行原理是一种复杂而又美妙的飞行方式，涉及到多个学科的知识。

无论是自然界中的动物还是人类的飞行器，都离不开扑翼飞行原理的支持。

通过深入研究和探讨扑翼飞行原理，可以帮助我们更好地理解飞行的奥秘，推动航空科技的发展。

希望本文能对您有所启发，谢谢阅读。

微型扑翼飞行器扑翼气动特性分析作者：刘赫然黄健来源：《山东工业技术》2016年第18期摘要：本文主要是以飞蛾的翅翼作为分析对象，设计了不同结构和形状的蛾翼；通过改变扑翼频率等性能参数，对扑翼的气动特性进行分析；通过利用有限元软件，对翅翼进行单向流固耦合分析；并得出翅翼结构对气动特性的相关影响因素。

关键词：翅翼；有限元分析；流固耦合；气动特性DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.18.2370 引言近年来，微型扑翼飞行器因其尺寸小、机动性强、隐蔽性好等特点，已经成为国内外研究的热点。

其中在空气动力学方面是扑翼飞行器的研究基础也是研究重点，在国内外学者的研究工作中发现，扑翼飞行器的柔性翅翼对扑翼的气动特性有较大的影响[1-3]。

因此，为了更好的了解扑翼飞行器在低雷诺数下能够稳定灵活的飞行，有必要进行相关的扑翼气动特征分析。

在自然界中，扑翼式生物产生气动力的来源主要有以下三种：（1）主动推升力（通过扑翼的翅翼的自身扑动产生）；（2）惯性叠加力（通过飞行时惯性力和自身重量产生）；（3）柔性变形力（通过翅翼在扑动时产生柔性变形而产生）。

在这三种产生的推升力均存在一定关系的耦合，而且在主动推升力和柔性变形力的研究中，Dickinson[4]等人利用通过研究昆虫的翅膀动作提出了三种动作模式：尾迹捕捉、旋转环流和延时失速，充分论证了两种力之间的耦合关系。

孙茂[5]等人用数值模拟方法，求解N-S方程研究了昆虫前飞时的气动力和需用功率。

分别就昆虫在不同飞行状态下、不同速度时升力及推力的来源进行了分析，完善了扑翼飞行器的气动机理，同时得出了比功率随飞行速度的变化关系曲线。

本文从仿生学角度出发，建立了仿生翼脉。

通过利用有限元分析软件，对翅翼进行单向流固耦合分析，然后通过改变扑翼特性参数（扑翼攻角、扑翼频率等）实验对比，分析仿生翼脉的不同结构对柔性扑翼气动结构特性的影响。

1 研究对象目前所研究的扑翼飞行器按其特征尺寸形状可以分为仿鸟类扑翼飞行器和仿昆虫扑翼飞行器，由于鸟类的翅膀结构很复杂，通过控制肌肉来控制骨骼以及小羽翼的变化，其动作特征灵活多样，完全模仿其动作难度较大，但昆虫翅翼则不同，它们只在翅翼根部有肌肉，翅翼的状态只能从根部来控制。

１．　引言自古以来，人们就梦想着在天空自由翱翔，对鸟在滑翔状态下的研究使人类乘着飞机上了天。

但在一般情况下，昆虫和鸟类翅膀具有很大的机动灵活性，生物超强的飞行能力也引起了人们的极大兴趣，如昆虫利用其薄如蝉翼的翅膀高频振动，能够实现前飞、倒飞、侧飞及倒着降落等特技飞行。

对生物生理结构和飞行机理的研究为仿制出具有更大飞行灵活性的新型扑翼飞行器打下坚实基础。

随着对生物飞行机理的认识和微电子机械技术（ＭＥＭＳ）、空气动力学和新型材料等的快速发展，仿生扑翼飞行器在目前已成为一个新的研究热点。

由于其在军事和民用上均具有广泛的应用前景，许多国家都已在这方面进行了研究，如美国加州大学伯克利分校、日本东京大学等都已经在这个领域进行了深入的研究探索工作，国内的科学家们也开始了这方面的基础和应用研究工作。

本文主要介绍了仿生扑翼飞行器的特点和关键技术，以及其在国内外的研究现状，并进行了对比分析思考，提出了相应的见解。

１．　仿生扑翼飞行器的特点仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器。

该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，仿生扑翼飞行器的研究现状及关键技术o 周骥平 武立新 朱兴龙扬州大学机械工程学院［摘　要］　本文简要介绍了仿生扑翼飞行器的概念、特点及其应用，概述了仿生扑翼飞行器在国内外早期和当前的研究现状及未来的发展趋势。

在此基础上，就目前研究中迫切需要解决的一些关键技术进行了讨论，并结合目前研究情况，对我国仿生扑翼飞行器的未来发展前景进行了展望。

［关键词］　仿生；扑翼飞行器；微型飞行器；关键技术[Abstract] Ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ，　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ａｎｄ　ｕｓａｇｅ　ｏｆ　ｆｌａｐｐｉｎｇ－ｗｉｎｇ　ａｉｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ　（ＦＡＶ）　ａｒｅ　ｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．　Ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｕｔｕｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ＦＡＶ　ａｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅｓｅ，　ｓｅｖｅｒａｌ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｏｆ　ＦＡＶ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｔａｋｉｎｇ　ｉｎｔｏ　ａｃｃｏｕｎｔ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎ　，　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ＦＡＶ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ　ｉｓ　ｏｕｔｌｉｎｅｄ．[Keywords]　Ｂｉｏｎｉｃｓ；　Ｆｌａｐｐｉｎｇ－ｗｉｎｇ　ａｉｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ；　Ｍｉｃｒｏ　ａｉｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ；　Ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［作者简介］周骥平（１９６０－），男，扬州大学机械工程学院院长，博士，教授，研究领域： 机电一体化，机械设计理论与方法等．＊基金项目：江苏省高校自然科学基金项目资助（０２ＫＪＤ４６００１０）综述２００４．６它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。