摘要
仿生扑翼飞行器是模仿鸟类或昆虫飞行机理设计的飞行器，与固定翼飞行器及旋翼飞行器的不同之处在于，它的动力主要来源于扑翼运动，将上升、悬停、推进集于一个扑翼机构，产生向上升力及向前推力；它的体积相对小、重量轻，可以原地及小场地起飞，具有良好的机动性，而且飞行能耗小、效率高。 本文对国内外现有仿生扑翼飞行器样机进行了外形和功能层面的对比，以及对空气动力学数值计算的研究现状做出了综合分析。从本课题中飞行器的气动特性方面出发，对其进行机翼机构建模及运动学分析、数值计算分析和实验研究。 依据扑翼机构的几何关系分析运动方程，建立机翼模型。基于ANSYS fluent软件平台展开计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)模拟，将Navier-Stokes作为主控方程，选择Spalart-Allmaras湍流模型，以及动态网格技术。求解非定常空气动力学数值问题，得到当地气流条件下流场的数值模拟结果。在此基础上，通过数值计算方法进行气动特性分析。 针对沉浮运动，研究揭示了不同参数与飞行气动特性的关系，表明其合理调试对仿生扑翼飞行器的有效飞行起到重要影响。针对具有可变扑打频率和俯仰振幅的叠加俯仰运动，过程中产生类似正弦的振荡，完成了不可压缩非定常流场的数值模拟，通过模拟周期内运动轨迹，研究展示了周期内不同时刻翼型周围流场分布。基于整体机构方案加工研制样机，由于手工制造对于手工艺的限制，每台飞行器需多次试验测试之后保障稳定飞行。此数值计算分析结果为该飞行器的后续研究提供一定的参考依据。 为进行仿生扑翼飞行器气动特性的实验分析，搭建测试平台。首先，利用静态测力系统进行扑动频率较低的气动特性研究，结果表明，随着扑打频率的不断增大，仿生扑翼飞行器静态推力呈上升趋势，其中对出现异常频率波动值进行进一步的频谱分析，并根据结果优化系统；其次，选择及验证姿态传感器，进行扑动频率相对较高的气动特性实验研究，根据采集不同条件下的数据，分析结果表明，该空间姿态传感器可行。
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