撲翼系統

研究背景

從古以來，人們對鳥類和昆蟲這類飛行生物充滿了好奇，從未停止過對這類生物飛行秘密的研究。對於撲翼飛行研究的歷史，在我國最早可以追溯到戰國時期，在國外最早可以追樂棗擊譽溯到文藝復興時期的達·文西。此後飛行技術有了長足的發展，熱氣球和滑翔機相繼出現，尤探墊拜其是固定翼飛機的出現，固定翼飛行技術的逐步成熟，人們在一個相當長的時期內冷落了撲翼飛行的發展。

在20世紀末無人機研究的三次浪潮之後，有關撲翼飛行的研究得以迅速發展。仿生撲翼飛行器是模仿鳥類或昆蟲飛行的撲翼飛旬凳酷行模式，是一種伴隨著微型化技術、新材料技術、先進加工成型技術和先進機器人技術等快速發展而興起的新概念飛行器。

撲翼飛行的氣動原理

按照撲動頻率的高低可以將撲翼飛行分為三類：低頻模式、中頻模式和高頻模式。撲動頻率在2~10Hz之間的可以歸為低頻模式，一些體型較大的鳥類往往採用這種模式諒才殃。撲動頻率在10~50Hz之間的可以歸納為中頻模式，主要被如海鷗、鴿子、麻雀等體型中等的鳥類所採用。撲動頻率在50Hz以上的可以歸為高頻模式，採用這種仔笑多撲動模式的生物往往體重較輕，體型較小，甚至有些種類的昆蟲可以達到達到1000Hz。

與其他飛行模式相比，撲翼飛行模式最大的特點就是維持飛行所需的升力和推力是由撲翼在撲動過程中同時提供。右圖所示為典型的撲翼翼型產生升力和推力的原理圖。氣流以恆定速度V_∞向撲翼飛行反方向運動，當撲翼以速度V_flap向下扑打時，氣流相對撲翼以速度V_flap垂直向上運動。

然而，不同體型的鳥類或昆蟲在飛行模式和狀態上不盡相同，右圖所示的典型撲翼翼型氣動力原理僅適用於低頻或中頻撲動模式。因為撲翼飛行所受的氣動力與諸多因素和多種共存的尺度有關，雖然近幾十年來人們對撲翼飛行的認識不斷深入，但至今仍沒有完整的理槳斷槓記論體系。

撲翼系統自身各因素對撲翼氣動力的影響

撲翼系統自身的各個部分對升阻力和穩定性等都有重要的影響，合理的設計，不僅能夠有效的增加升力，提高升阻比，還能增加飛行穩定性。

撲翼影響

撲翼是撲翼系統最關鍵的部分，在飛行中產生升力和推力。

（1）撲翼剛度

早期撲翼研究中，普遍使用單自由度剛性翼模型，所得到的結果升力往往與實際情況有一定的偏差。因為僅僅採用上下撲動的單自由度模式無法維持相對來流。而柔性翼則不同，其在上下撲動的同時還會被動扭轉，已有研究證實了柔性翼確實能夠提升升推力。然而，引入柔性翼的概念固然好，但柔性程度的控制卻是一個難題。

（2）撲翼翼型

撲翼翼型是指機翼的弦向截面形狀。目前在固定翼飛行器領域中已經有一套關於翼型的較為完善的理論，但是撲翼飛行與固定翼飛行不同，其理論和經驗可以借鑑的並不多，因此仍需研究。

機身的影響

機身對撲翼飛行器的影響類似於固定翼，主要起到分流作用，如右圖所示。撲翼飛行器飛行時，相對來流接觸機身底部時被迫分流，繞過凸形機身側面時加大相對來流速度，並在兩側的翼根處產生有效的附加升力。目前國內高校研製的飛行器大多數都沒有設計機身，而是直接將左右兩翼連線起來，這種設計也能產生附加升力。

尾翼的影響

尾翼對於任何飛行器而言都是至關重要的，它直接關係到飛行器的姿態控制和飛行穩定性的控制。尾翼形式主要有水平尾翼(簡稱平尾)和垂直尾翼(簡稱垂尾)，也有V型、雙尾翼等不同類型。

（1）平尾的作用

平尾的作用主要體現在飛行器的俯仰飛行運動中。當飛行器以一定的迎角上升時，為保持飛行器的飛行仰角，平尾尾翼的俯仰角通常為負，產生負升力，即產生抬頭力矩。相反的，當飛行器下降時，平尾尾翼的俯仰角通常為正，產生正升力。而平尾尾翼俯仰角調節的大小充府與飛行器設計的飛行速度有關，飛行速度越慢，尾翼俯仰角越大。

（2）垂尾的作用

垂尾的作用主要體現在飛行器轉向時，上文已經分析了固定翼飛行器的轉向機制，此時垂尾只起到配合副翼協調轉向，防止側滑，而在撲翼飛行器中垂尾的作用與之類似。

撲翼系統

基本介紹

研究背景

撲翼飛行的氣動原理

撲翼系統自身各因素對撲翼氣動力的影響

撲翼影響

機身的影響

尾翼的影響

尾翼的影響

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