低雷诺数下昆虫飞行机理研究

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1、东南大学硕+学位论文Sander公司研制了“MiemStⅡ”系列微型飞行器(见图10)．包括翼展为6095cm、4826em、3048cm、1524cm的型号。前两种大尺寸的模型用于包括推进系统，操纵传感器、成像装置、数据链及导航传感器在内的儿乎所有辅助系统的台架试验。其中3048cm翼展的模型己于1999年进行丁第一代具有轨迹操纵和航向保持能力的自主飞行的飞行试验。而翼展为1524cm的MAV模型没有安装自主飞行和成像系统，采用锂电池，重1009，飞行高度90m，可在空中飞行15mia_oJ。图11Mrr林肯实验室的MAV幽卜2BlackWidow图卜3MicroSta

2、r1．1．2旋翌机型由于旋翼机存在一些优于其他机型的特点，冈此在MAV的研究热潮中，微型旋翼E行器系统成为MAV机型的另一研究热点。美国Lutronix与Auburn大学在DARPA资助下台作研制名为golibri的微酗旋翼E行器(见削1-4)，其外形为一个圆柱形．上部装旋翼，F部装照相机，底部有4个叶片。可垂直起飞和降落，留空时间至少30rain。设计了兆轴敢旋翼和单旋翼两种型式，这两种均役有尾桨，利用叶片在下洗流中的运动进行俯仰、横滚和偏航控制。基本尺寸为直径100mm，重3169．其中发动机为D6TAR研制的微型柴油发动机．重379．燃油重1329．发动机与燃油的重

3、量占总重的一半，Kolibri可携带大约1009的设备¨J。斯坦福人学的“Mesicoptet'’是一种厘米级尺寸的微型旋翼飞行器(见鲥I-5)。它有四个螺旋桨，分别由直径3ram．重325mg的微电机驱动，每个螺旋桨直径为15mm，厚度仅008ram。机身为16mmxl6mm的方型框架。目前这一研究项目仍在继续．其前期阶段性丁作主要是研究低雷诺数下的空气动力学特性，对旋翼翼型作出优化设计，研究微型旋翼的加1二方法，完成实验样机牲一个杆臂上的离地起飞。进步的丁作是使微型飞行器最终实现自主飞行和多个飞行器协调完成具体任务H．幽14Kolibri1．1．3扑翼机型图卜5Mes

4、icopter加利福尼亚I．学院苷几家单忙其同研制的扑翼式微型飞行器“MicroBat”(见目1-6)是目前比较成功的机型。它采用电池驱动，最大尺寸为23⋯重12￡，控制方式为无线【U遥控n^_-r■^---g一币镕☆美国斯坦福研究中，fi,(SRI)和加拿大多伦多大学共同研制的微型扑翼飞行器“Mentor”(见图1-7)拥有龋对扑翼，阻电致伸缩聚台体人选肌肉EPAM(EleevostdctivePolymerArtificialMusic)为动力。机身下打有四个控制面，控制飞行器的姿态。Mentor可以实现在空中悬停”⋯。美国佐治亚理工学院研制llj一种名为“Entom

5、optef’的仿昆虫微型E行器(见图1-8)。这种微型飞行器拥有与蝴蝶翅膀相似的机翼，机翼采用特殊结构和材料制成，用往复式化学肌肉(ReciprocatingCheolcalMuscle．RCM)作为驱动。所谓RCM实际上是一种不通过燃烧反应就可将化学能转化为动能的机构，它具有较高的能量转换效率，这种微型飞行器装备有两对前后串列的扑翼．不但可以飞行．也可以在地面上爬行。该微型飞行器的研究者期望它能在未来的火星探测中发挥作用。美国加州大学伯克利分校的“微型机械昆虫’'(Micromech蛐icalFlyingInsert，MFI)研究项目也比较有代表性，它的目的是通过模仿生

6、物原理研制一种10．25ram太小，能自主飞行的微机械E行昆虫。目前，己对其空气动力学特性作出详细分析，设计研制出一种胸腔结构，同时选择压电执行器作为机翼驱动jf{【，井墩得初步成功”“。Z⋯一目l一6MicroBat1．2扑翼飞行机理1．2．1低雷诺数飞行气动特性圈『Ⅸ国卜7Mentor图1-8Entomoptel常规飞行器的飞行雷诺效约在107左右，而MAv由于尺寸小、速度低，其飞行雷诺数远小于普通的飞行器，范围一般为102～1旷。因此在飞行时，空气粘性的影响更加显著，其受到的粘滞力也相对增大。同时，附面层趋于层流特征，容易出现分离，从而失去升力、气动稳定性及其控制等

7、等。然而自然界中的鸟类和昆虫却能很好地克服由于低雷诺数带来的气动局限性。为此，国内外学者进行了一些探索性的研究。结果表明，昆虫和鸟类靠高额拍翼，利用往复挥拍加上急剧旋转，从而激发周围介质形成强非定常、低雷诺数流动。WaDf叫和Hamdani，Sun¨”分别利用N_S方程的数值模拟证明了强非定常运动中，非定常气动力主要是冀表面的压强分布所致舳性对气动力的影响很小。因此由低雷诺数带来的气动局限性得以克服。1．2．2非定常高升力机理分析已有的计算和实验研究表明【1删，在低雷诺数范围定常来流条件下。昆虫所获得的升力远小于白身的重力，更