微型飞行器低雷诺数空气动力学

微型飞行器(MAVs)设计绝不是常规飞行器在尺度上的简单缩小,面临许多技术难题．其中微型飞行器低雷诺数空气动力学是其最为根本的技术瓶颈之一,也是当前受到广泛关注的热点之一．本文紧密结合微型飞行器技术,对这一领域中所面临的低雷诺数空气动力学问题和近两年来该方向国内一些新的进展进行了较为详细的介绍．按照MAVs飞行方式和结构特性进行分类,简单介绍微型飞行器研究中的低Re数空气动力学问题．首先介绍了二维和三维固定翼低雷诺数空气动力学问题:包括层流分离泡,翼型升力系数小攻角非线性效应,静态迟滞效应,以及低Re数小展弦比机翼气动特性．第2,介绍了拍动翼低雷诺数空气动力学方面的研究工作．包括前人提出的昆虫低Re数下获得高升力的多种非定常拍动翼飞行机制:Wagner效应、Weis-Fogh效应(clap-and-fling)、延迟失速效应(delayed stall)、Kramer效应(rotational forces)、尾迹捕获效应(wake capture)、附加质量效应(added mass)等．以及国内学者近几年在拍动翼方面取得的一些研究成果．第3,介绍了柔性翼低雷诺数气动问题．研究表明柔性翼对于固定翼微型飞行器提高抗阵风能力,拍动翼微型飞行器产生足够的升力和推力．最后简单介绍了可变形翼(morphing wing)微型飞行器方面的一些研究工作,指出微型飞行器技术可以通过采用可变形翼设计,突破众多的技术瓶颈．另一方面,可变形翼概念可以通过在低成本,低速的MAVs上进行飞行试验,获得非常好的验证平台．

仿生微型飞行器悬停飞行的空气动力学研究

鉴于仿生微型飞行器在军事及民用领域的广阔应用前景,其一经提出便成为研究热点。仿生微型飞行器悬停飞行的空气动力学是微型飞行器设计的基础,因此伴随仿生微型飞行器的研制,相关空气动力学理论和设计方法也得到了丰富和发展。本文回顾了仿生微型飞行器悬停飞行空气动力学研究的相关进展。首先,介绍目前用于研究仿生微型飞行器空气动力学问题的一系列实验和数值仿真方法;然后,介绍悬停飞行下仿生微型飞行器高升力机理(如打开合拢机制、延迟失速等),并着重讨论了前缘涡稳定性等前沿问题;之后,介绍关于仿生微型飞行器的气动设计流程及方法的研究进展,包括仿生翼的流固耦合研究以及翼的几何、运动及结构参数优化设计研究;最后,对该领域未来的研究方向做了初步探讨,提出应针对蝴蝶、瓢虫等昆虫的飞行高升力机理做进一步探索,并在微型飞行器仿生翼设计及优化技术、仿生微型飞行器飞行动稳定性及控制等方面开展深入研究和关键技术攻关。

飞鸟的低雷诺数空气动力学

低雷诺数空气动力学对许多天然或人造的飞行物是非常重要的，生物学家对飞鸟、蝙蝠、昆虫多年的研究，以及由于对微型飞行器（MAVs）兴趣激发的空间工程协会的主动研究，近年来发展迅速。本书的重点是固定的和振动翅膀的空气动力学，内容考虑到了飞鸟和微型飞行器，包括空气动力学和飞行特性与在简单几何学、动力学分析、结构弹性、层流紊流转变、机翼形状、不稳定扑翼动力学基础上的飞行物尺寸有关的相似定律总结，突出了扑翼动力学与关键尺寸参数如雷诺数、斯德鲁哈尔数、折合频率的关系，文章也阐述了各种各样的不稳定提升强化机理。

仿鸟扑翼机器人气动力建模与分析

采用改进的叶素理论对仿鸟扑翼机器人的空气动力学问题进行了研究,建立了低雷诺数、非定常条件下,仿中小尺度飞鸟扑翼机器人的扑动模型和扭转模型,并考虑非定常尾涡对展向气流的下洗效应,对飞行迎角进行了修正.在此基础上,建立了扑翼机器人的升力模型和推力模型.实验数据与仿真结果基本吻合,较好地揭示了气动力在下扑和上扑阶段的变化趋势.以该模型为基础,进一步分析了扑翼机器人的飞行机理和气动特性,发现升力由扑翼内、外翼段共同产生,而推力主要由外翼段产生,且改变扑翼频率对推力的影响要大于升力.结果表明,文中方法在仿鸟扑翼机器人的气动力分析方面是有效的.

生物运动仿生力学与智能微型飞行器

概述了微型飞行器研究与发展现状,分析了实用化面临的主要技术关键,重点讨论了低雷诺数空气动力学、高升阻比气动布局、智能控制等问题.已有的经验和理论分析表明:主尺度小于15cm以后,用常规方法已经很难设计出具有良好飞行性能的微型飞行器,而必须采用仿生学方法.对微型飞行器仿生学设计中的一些主要问题,包括高升力、高机动性、抗干扰稳定性以及飞行过程的力能学分析等问题分别进行了讨论.

《无人机飞发气动综合设计》专栏征稿简则

无人机作为21世纪航空界发展最活跃的领域之一,其实用性、技术先进性和集成性已经成为社会各界研究的热点。无人机飞发气动综合设计是无人机技术领域的核心之一,直接关系到无人机的飞行性能、经济性和安全性,且涉及多学科交叉,包括流体力学、空气动力学、结构力学、材料科学等,具有高度的复杂性和不确定性。近年来,我国学者在流动控制和低雷诺数设计方面开展了大量研究工作,取得了一系列重要成果。

微型直升机的研制与发展

本文从微型飞行器的定义开始,介绍了微型飞行器的主要用途,微型直升机的优点以及研制的难点。其难点主要有三个:低雷诺数空气动力学、微型制造技术和动力与控制系统。最后介绍了双桨共轴式和4旋翼正方形两种微型直升机的研制与试验情况。试验表明,利用目前的技术能够研制出实用的微型直升机,不过还需进行大量的工作以提高微型直升机的性能。

纳米飞行器概念设计

纳米飞行器(NAV)指尺寸7.5cm以内、携带载荷2g以上、具有悬停和低速前飞等多种飞行模式的新概念可控无人飞行器,是无人飞行器系统的重要组成部分,可在狭窄空间中探测、侦察、数据中继和释放载荷,具有重要的军事和民用价值.本文阐述了NAV的设计要求、概念研究的最新进展.同时就设计中关键理论和技术进行了评述,主要为:NAV外形选择方法的提出;极低雷诺数空气动力学机理、极低雷诺数下旋翼外形和扑翼外形流场特征的分析;当前极低雷诺数研究方法和研究现状、新材料在NAV设计中应用前景及微推进技术和微电子技术研究进展的综述.

变转速共轴旋翼载荷建模及实验验证

对共轴双旋翼无人飞行器操纵结构的简化,会引起旋翼载荷变化更加复杂。共轴双旋翼转速控制方法有助于飞行控制系统的实现,但是在飞行控制律设计时,需要透彻了解变转速旋翼的气动载荷变化,建立精准的旋翼载荷模型。本文深入分析了旋翼变转速情况下单旋翼系统和共轴双旋翼系统的旋翼入流分布,建立了单旋翼变转速旋翼载荷计算方法,提出了共轴双旋翼变转速旋翼载荷计算方法。明确了低雷诺数对微型旋翼飞行器的旋翼载荷计算影响,引入雷诺数修正系数完成对旋翼翼型升阻系数气动参数的修正和验证,提高了变转速共轴双旋翼载荷模型的计算精度。设计了一套变转速单旋翼系统和共轴双旋翼系统的旋翼载荷测量实验装置,通过实验测试完成了对共轴双旋翼载荷计算方法的验证,表明了所提出的变转速共轴双旋翼载荷模型和实验测试装置是可信的。

翼型基础知识第5讲

第五部分 创造真正适用于航模的翼型 第二次世界大战结束后的几十年间，继施米茨一系列低雷诺数的风洞试验和研究，并在20世纪50年代先后发表有关航模空气动力学的书籍和论文后，一些杰出的航模设计师在研究、设计和创造真正适用于航模的翼型上获得了很大的成就。