撲翼飛行器升力測試裝置研究現狀

梁仁輝

摘要：在自然界中有很多昆蟲可以通過高頻率的振動自己的雙翅來產生巨大的升力，進行自由自在的飛行。人們通過對其研究，了解到了相關的非定常空氣動力學機理和理論。在實際生活中有很多的仿生學知識被應用到生活中，便利了人們的生活和出行。基于昆蟲的仿生學相關人員研制出了撲翼飛行器，并且利用相關設計平臺實現了對升力裝置的測試和研究。文章從研究撲翼飛行器出發，通過研究其升力和撲翼參數，為之后的研究提供數據支持。

關鍵詞：撲翼飛行器;升力;裝置研究

0 ?引言

撲翼飛行器的撲翼設置是根據昆蟲及鳥類的撲展雙翅和振動的幅度進行研究的。撲翼飛行器和其他的飛行器相比，有著很多優點和便利點。在進行停歇過程中，可以在短時間內快速停下來，可以進行高速的旋轉，遇到障礙時可以快速規避障礙，這樣的飛行特點其他飛行器時無法相比的。因此在仿生學領域撲翼飛行器的設計有著非常重要的作用，作為飛行的重要因素之一升力，在撲翼飛行器的裝置測試中非常重要。

1 ?升力測試裝置的發展歷程

在進行技術測試時，最常用到的升力測試系統是由風洞、升力測試裝置和所需測試的模型一起組成的。在研究中需要進行測試的模型需要牢穩的固定到升力測試裝置上，升力測試裝置中一般會裝有機械平或者應變天平，這都為測試固定提供了技術支持。需要測試的裝置和飛行器的模型都需要放置在風洞口中，通過風速的變化對測試機器進行多方面的力能測試，其中可以測試裝置的升力、推力、側向力等多達六個方向的力。

這樣的測試系統早在19世紀70年代就已經在英國建造好了，另外第一臺機械天平也被制造出來。這臺機械天平主要是為了測量飛行器的升力和阻力，雖然測試力的種類有限，但也是一次大突破，大革新。伴隨科學的進步在20世紀40年代除去機械天平之外又研制出了臺式的機械天平，此時在進行機械測試時可以測試六個量，是數量上有了再次突破。

隨著時間的推移，由于科技的快速發展，風洞設置的迅猛突破，應變測量技術開始大顯身手，應變天平得到了大力的發展和應用。到了20世紀60年代中期，風洞天平的發展已經到了成熟階段，相應的天平技術也有了發展，并且在低速的風洞測量中被廣泛應用。伴隨著應變天平的發展成熟，又出現了壓電天平、應力波天平等，很多撲翼飛行器都會在亞聲速的情況下進行飛行。因此應變天平得到了非常多的應用。

2 ?升力測試裝置的研究現狀

在進行飛行器裝置的測試中，需要測量的種類不會過多因此應用三分量的機械天平有些大材小用，相應的二分量機械天平應運而生，二分量機械天平可以測量裝置的升力和阻力。在設備的研制過程中，有人提出了腹撐迎角式的風洞天平們可以從多個角度進行升力和阻力的測試。

很多情況下進行撲翼飛行器的升力測量不會一次進行六個分量的測試，人們根據實際需要研制出了可以測量升力Y，測量阻力X的單分量天平以及可以同時測量XY的二分量天平和測量XY俯仰力矩MZ的三分量天平。講到的這些天平和傳統的應變天平不一樣，他可以將模型和測量裝置連接起來，將實驗裝置組合成一個整體，可以進行靜止狀態下和有風力狀態下的不同測量，但是數據的準確度方面還有提升的空間。

在進行實際撲翼飛行器升力裝置測量中，身在南京航空航天大學的昂教授和他的團隊通過非定常渦格法的計算對研制出來的仿生鳥的撲翼振動進行了研究和分析，在進行空氣動力測試的過程中，用專門研制出來的六分量用天平進行了測試。六分量天平有著較高的測量精確度，得出的數據有極高的科學性。此外，西北大學的研究室采用二分量的天平對撲翼飛行器的升力和阻力進行了測試，此次裝置測量將所需要測量物品放到了天平上，并且進行了靜止狀態和動態的雙向測試。在實驗過程中，不光有機械天平和應變天平進行測量，在科技的快速發展下，還有其他的測量方法，有人就用風力傳感器的升力和阻力測試裝置對果蠅這種小昆蟲進行了風洞實驗。遠在美國的研究人員通過2D的力傳感器和應變計組成的測試裝置對在油罐中的機械翅進行了測量，并由此得出了昆蟲提高升力的方法和應用措施。

東南大學的研究團隊主要進行研究的就是柔性翅，并在自己研制出來的氣動力測量實驗平臺上進行了升力和阻力的實驗。這次實驗的主要目的是給柔性翅的物品研制提供理論支持和研究書庫。除此之外西北大學的相關研究團隊們利用微型飛行器的專用風洞，把需要測量的撲翼飛行器放在風洞中，之后進行風力的傳感，利用壓力傳感器的測量平臺在進行風速控制的前提下研究撲翼振動的頻率風速等，通過研究了解這些因素對撲翼機產生升力大小的影響，并且應用示波器來研究撲動翼撲動時做出的角度和升力大小之間存在的聯系。學術界相關人員對于撲翼裝置的升力測試裝置都有著很大的興趣，除此之外西北大學的研究人員研制出了一種綜合性的測驗平臺，可以將撲翼飛行器在進行上下撲動、前后撲動和旋轉狀態下產生的氣動力進行轉變，通過不同的氣動力調試可以得出不同的實驗數據，增加最終數據的真實性，有一點限制就是此裝備實驗只能在風洞中完成。有進步就有突破，在安徽工業大學就有研究人員研制出了仿生的撲翼飛行器升力測試裝置，這種裝置可以脫離風洞，不需要風洞的參與就可以完成實驗，可以通過角位移的傳感設備完成對裝置的升力測試，有所限制的是在當前情況下，想要用此裝置進行除了升力之外的力的研究可需要在進行研究，此項設備還有很大的提升空間，但是能脫離風洞進行實驗已經是一個很大進步。

通過對眾多學校和研究人員進行的實驗進行綜合和整理，可以知道很多實驗都是基于風洞進行的，這樣的實驗在操作過程中會使用到機械天平等裝置，雖然最終得出的結果精確度高，實驗的穩定性好但是整體實驗操作過程復雜，需要花費的資金過于龐大，無法靈活的應用。雖然也有一些裝置可以進行撲翼飛行器的升力測試，但是適應范圍小或者只能停留在原地進行實驗，一旦有大規模的飛行裝置就無法進行測試。我們可以了解到升力測試的設備是跟隨撲翼飛行器的發展而研制出來的，因此撲翼飛行器的發展程度和發展速度會直接影響升力測試裝置的發展，相關專業人員想要對升力測試裝備進行研究，就要加大研究范圍，同時進行或前后進行撲翼飛行器的研究和大范圍內升力測試設備的研究。讓兩者齊頭發展。很多新型的撲翼飛行設備出現，相應的就會出現升力及阻力甚至更多分力的測試裝置，對這些裝置進行動力學的仿真測試可以很大程度提高實驗真實性和準確性，保障實驗過程的順利發展。

3 ?結語

撲翼飛行器的構建需要解決升力和其本身的質量矛盾才可以進行飛行，很多撲翼飛行器大都有尺寸小速度慢的特點，很多仿生學設備在制作完成以及改進過程中會進行無數次的裝置測試。本文基于撲翼飛行器的形成，應用升力測試裝置進行了多方面的測量和數據分析。根據升力測試裝置的發展歷程我們明白科技在進步，相應的測量裝置也越來越先進，測量數據越來越準確。為了將升力測試裝置有更好的發展前撐，相關工作人員要加大研究力度，促進升力測試裝置的精確度，還有很多方面的撲翼飛行器升力測量無法進行測量，這都需要我們的共同努力，為日后的數據分析提供有力支持。

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