仿生驅鳥撲翼機結構設計與氣動力研究

王嘉鑫 彭思逸 胡銘薇 蘭浩原 杜智強

摘要：基于仿生學原理設計仿生撲翼機作為新型飛行器的一種，具有旋翼飛行器以及固定翼的優勢，飛行能力出色，能夠滿足多種飛行模式的要求?；诖?，本文通過對撲翼機結構設計的分析，簡單分析了氣動力的特性。以期能夠為撲翼機設計和分析提供一定參考。

關鍵詞：仿生撲翼機;仿生學;撲翼機結構;氣動力

引言：

仿生撲翼機通過對鳥類飛行的模擬設計新型飛行器，和常規固定翼不同，飛行器具有較高升力，通過不斷拍打、擺動、扭轉產生推力和升力，保持持續飛行滯空。通過對機翼拍打角的調整，可以實現復雜的飛行軌跡，具有較高飛行效率。撲翼機起飛、懸停速度快，具有更高的隱蔽性，在民用和國防領域均具有廣泛應用前景。

一、仿生驅鳥撲翼機結構設計

（一）單自由度撲翼機構

最常見的驅動機構為單自由度機構，其中包括搖桿滑塊、雙曲柄雙搖桿以及單曲柄雙搖桿三類：（1）搖桿滑塊：通過滑塊或者滑桿的上下運動，對兩側搖桿帶動做對稱運動，保證運動平穩。凸輪根據撲翼規律進行設計，即可撲動。但由于結構相對復雜，很難減小占地面積，長期運行后受到摩擦影響造成較大磨損，設備效率較低，主要在低速飛行條件下應用。（2）單曲柄雙搖桿：主要應用于微型飛行器中，作為典型四桿機構，使用驅動曲柄對搖桿起到帶動作用形成上下撲動。機構重量輕，結構簡單，占地面積小，在仿昆蟲型撲翼飛行器中應用。但由于兩側搖桿相位差，很難對稱運動，無法保證兩側氣動力平衡，存在較高墜機風險[1]。（3）雙曲柄雙搖桿：采取上下對稱撲動，保證平穩撲動，具有較高對稱性，無相位差。但結構復雜，占地面積和質量較大，主要在中大型飛行器中使用，或者對于較高穩定性要求的飛行器中應用。

（二）多自由度撲翼機構

多自由度撲翼機構結構復雜，體積較大，主要在大型飛行器中使用。撲翼機構經過特定組合優化后可以滿足扭轉、撲動等復雜運動軌跡。目前主要分為空間機構型以及獨立驅動型?？臻g機構型通過空間機構可以實現多自由度的撲翼運動形式，從平面結構經過演化得來，可以達到扭轉等復雜軌跡。主要采取球形鉸接，對稱運動。但驅動機構相對復雜，只能重復進行復雜的運動軌跡，無法進行更改。獨立驅動型由單片機控制揮拍、撲動和扭轉等動作，對運動模型進行控制，各個模型之間無干擾，主要應用于撲翼實驗中，在研究撲翼流暢特征上具有突出優勢。

（三）驅鳥撲翼機結構設計

根據仿生學原理，連桿機構按照鳥類骨骼進行設計，模擬其運動原理，實現機翼的折疊運動以及撲動。使用雙段撲翼機構對鳥類翅膀進行模擬，撲翼使用兩段骨骼關節連接，對第二段撲翼撲動進行控制，第一段連桿采取平行模式模擬鳥類直接肌的收縮，通過第一段桿對第二段桿起到牽動作用實現運動。兩段桿結構對骨骼關節桿結構進行模擬，組成四邊形結構，利用四邊形特征避免桿卡制的問題，實現撲翼折疊。和雙曲柄雙搖桿對比，可以保證兩側撲翼同步運動和折疊運動，可以滿足飛行要求，減少上撲受到的氣動阻力。由于采取平面連桿機構，可以穩定運行，具有較高傳動效率，滿足仿生撲翼機飛行的要求。

二、仿生驅鳥撲翼機結構的氣動力

分析撲翼機氣動力主要使用C語言、Fluent以及Gambit程序進行。由于機翼撲動頻率低，在默認空氣密度一致的條件下，使用Fluent中隱式分離求解器，由于撲動過程中流場參數未發生改變，使用三維網格模型求解。流體參數設定為常數1.225kg/m3。啟用動網格后，選擇局部網格重劃以及彈簧光滑模型，設定彈簧彈性系數（0-1）、邊界點松弛因子（0-1）、重劃網格（0，0，1）。在模擬中機翼運動使用C語言模擬，Fluent可實現特定動態運動，包括撲動和俯仰運動。在計算前預覽網格更新效果，避免計算中出現網格更新問題。對氣動力進行模擬分析，當純撲動條件下，升力系數最大值為1，平均升力系數均較小，表示在純撲動條件中剛性翼不會產生升力[2]。在俯仰+撲動運動模式中，升力系數的最大值超過1，表示撲翼機的升力明顯提高，阻力系數有顯著降低。若平均阻力系數<0，表示在該條件下撲翼機產生推力，對于提高飛行效率有重要意義。

鳥類飛行中，翅膀在延展方向上存在扭轉運動，讓鳥類的飛行效率得到提高。撲翼機飛行受到撲動模式的影響。主要包括：

（1）來流速度。鳥類飛行時存在初速度，受到不同風速和風向的影響，升力系數和阻力系數發生一定改變。隨著來流速度的增加，升力系數逐漸提高，而阻力系數則先降低后增加。在無風條件下，機翼扭轉可以產生向前推力，幫助撲翼機起飛。隨著來流速度的升高，飛機阻力增加，升力降低，撲翼機不利于飛行或者無法飛行。

（2）仰角。仰角是指相對氣流方向和翼弦的夾角，仰角大小會影響飛行升力，且仰角存在一定范圍。當仰角逐漸增大時，升力系數表現為先增大后降低，阻力系數表現為先減小后增大。機翼選擇最合適的仰角時，可以獲得良好的氣動特性。

（3）撲動頻率。鳥類撲動頻率處于不斷變化中，尤其是小型鳥類撲動頻率更高。由于仿生機翼體積較大，撲動頻率低，當其他條件保持不變是，隨著撲動頻率的增加，升力系數不斷增加，阻力系數不斷變小，推力增加。由于撲翼機體積重量大，慣性力更大，能耗高，對于撲動頻率的調節需要以實際飛行需求為主，同時節約能耗，以實現長時間滯空。

（4）飛行角度。當機身角度增加時，升力系數逐漸升高，但增幅較小。阻力系數先減小后增加。撲翼飛行升力主要由撲翼下撲實現。當機身角度為0，阻力系數最小，更有利于降低飛行阻力;當機身角度存在一定仰角，可提高起飛升力。

結論：綜上所述，撲翼機結構主要包括單自由度撲翼機構、多自由度撲翼機構，本文設計的驅鳥撲翼機結構可以有效滿足應用需求，補充傳統結構的缺陷，優勢明顯。在設計撲翼機上氣動力分析十分關鍵，通過分析撲動規律和環境對于氣動力產生的影響，可以發現折疊運動有利于改善氣動力，滿足不同飛行軌跡對于撲翼機的要求。未來還需要在結構和重量上進一步優化，降低能耗，優化撲翼機性能。

參考文獻：

[1]傅雅寧，趙世恒.仿生蜻蜓撲翼飛行器模型設計與氣動特性分析[J].機械設計，2021，38（10）：79-87.

[2]馬程，熊曉松，吳昊，等.撲翼機結構設計及運動仿真[J].中國教育技術裝備，2020（14）：27-29.