仿生驱鸟扑翼机结构设计与气动力研究

王嘉鑫 彭思逸 胡铭薇 兰浩原 杜智强

摘要：基于仿生学原理设计仿生扑翼机作为新型飞行器的一种，具有旋翼飞行器以及固定翼的优势，飞行能力出色，能够满足多种飞行模式的要求。基于此，本文通过对扑翼机结构设计的分析，简单分析了气动力的特性。以期能够为扑翼机设计和分析提供一定参考。

关键词：仿生扑翼机;仿生学;扑翼机结构;气动力

引言：

仿生扑翼机通过对鸟类飞行的模拟设计新型飞行器，和常规固定翼不同，飞行器具有较高升力，通过不断拍打、摆动、扭转产生推力和升力，保持持续飞行滞空。通过对机翼拍打角的调整，可以实现复杂的飞行轨迹，具有较高飞行效率。扑翼机起飞、悬停速度快，具有更高的隐蔽性，在民用和國防领域均具有广泛应用前景。

一、仿生驱鸟扑翼机结构设计

（一）单自由度扑翼机构

最常见的驱动机构为单自由度机构，其中包括摇杆滑块、双曲柄双摇杆以及单曲柄双摇杆三类：（1）摇杆滑块：通过滑块或者滑杆的上下运动，对两侧摇杆带动做对称运动，保证运动平稳。凸轮根据扑翼规律进行设计，即可扑动。但由于结构相对复杂，很难减小占地面积，长期运行后受到摩擦影响造成较大磨损，设备效率较低，主要在低速飞行条件下应用。（2）单曲柄双摇杆：主要应用于微型飞行器中，作为典型四杆机构，使用驱动曲柄对摇杆起到带动作用形成上下扑动。机构重量轻，结构简单，占地面积小，在仿昆虫型扑翼飞行器中应用。但由于两侧摇杆相位差，很难对称运动，无法保证两侧气动力平衡，存在较高坠机风险[1]。（3）双曲柄双摇杆：采取上下对称扑动，保证平稳扑动，具有较高对称性，无相位差。但结构复杂，占地面积和质量较大，主要在中大型飞行器中使用，或者对于较高稳定性要求的飞行器中应用。

（二）多自由度扑翼机构

多自由度扑翼机构结构复杂，体积较大，主要在大型飞行器中使用。扑翼机构经过特定组合优化后可以满足扭转、扑动等复杂运动轨迹。目前主要分为空间机构型以及独立驱动型。空间机构型通过空间机构可以实现多自由度的扑翼运动形式，从平面结构经过演化得来，可以达到扭转等复杂轨迹。主要采取球形铰接，对称运动。但驱动机构相对复杂，只能重复进行复杂的运动轨迹，无法进行更改。独立驱动型由单片机控制挥拍、扑动和扭转等动作，对运动模型进行控制，各个模型之间无干扰，主要应用于扑翼实验中，在研究扑翼流畅特征上具有突出优势。

（三）驱鸟扑翼机结构设计

根据仿生学原理，连杆机构按照鸟类骨骼进行设计，模拟其运动原理，实现机翼的折叠运动以及扑动。使用双段扑翼机构对鸟类翅膀进行模拟，扑翼使用两段骨骼关节连接，对第二段扑翼扑动进行控制，第一段连杆采取平行模式模拟鸟类直接肌的收缩，通过第一段杆对第二段杆起到牵动作用实现运动。两段杆结构对骨骼关节杆结构进行模拟，组成四边形结构，利用四边形特征避免杆卡制的问题，实现扑翼折叠。和双曲柄双摇杆对比，可以保证两侧扑翼同步运动和折叠运动，可以满足飞行要求，减少上扑受到的气动阻力。由于采取平面连杆机构，可以稳定运行，具有较高传动效率，满足仿生扑翼机飞行的要求。

二、仿生驱鸟扑翼机结构的气动力

分析扑翼机气动力主要使用C语言、Fluent以及Gambit程序进行。由于机翼扑动频率低，在默认空气密度一致的条件下，使用Fluent中隐式分离求解器，由于扑动过程中流场参数未发生改变，使用三维网格模型求解。流体参数设定为常数1.225kg/m3。启用动网格后，选择局部网格重划以及弹簧光滑模型，设定弹簧弹性系数（0-1）、边界点松弛因子（0-1）、重划网格（0，0，1）。在模拟中机翼运动使用C语言模拟，Fluent可实现特定动态运动，包括扑动和俯仰运动。在计算前预览网格更新效果，避免计算中出现网格更新问题。对气动力进行模拟分析，当纯扑动条件下，升力系数最大值为1，平均升力系数均较小，表示在纯扑动条件中刚性翼不会产生升力[2]。在俯仰+扑动运动模式中，升力系数的最大值超过1，表示扑翼机的升力明显提高，阻力系数有显著降低。若平均阻力系数<0，表示在该条件下扑翼机产生推力，对于提高飞行效率有重要意义。

鸟类飞行中，翅膀在延展方向上存在扭转运动，让鸟类的飞行效率得到提高。扑翼机飞行受到扑动模式的影响。主要包括：

（1）来流速度。鸟类飞行时存在初速度，受到不同风速和风向的影响，升力系数和阻力系数发生一定改变。随着来流速度的增加，升力系数逐渐提高，而阻力系数则先降低后增加。在无风条件下，机翼扭转可以产生向前推力，帮助扑翼机起飞。随着来流速度的升高，飞机阻力增加，升力降低，扑翼机不利于飞行或者无法飞行。

（2）仰角。仰角是指相对气流方向和翼弦的夹角，仰角大小会影响飞行升力，且仰角存在一定范围。当仰角逐渐增大时，升力系数表现为先增大后降低，阻力系数表现为先减小后增大。机翼选择最合适的仰角时，可以获得良好的气动特性。

（3）扑动频率。鸟类扑动频率处于不断变化中，尤其是小型鸟类扑动频率更高。由于仿生机翼体积较大，扑动频率低，当其他条件保持不变是，随着扑动频率的增加，升力系数不断增加，阻力系数不断变小，推力增加。由于扑翼机体积重量大，惯性力更大，能耗高，对于扑动频率的调节需要以实际飞行需求为主，同时节约能耗，以实现长时间滞空。

（4）飞行角度。当机身角度增加时，升力系数逐渐升高，但增幅较小。阻力系数先减小后增加。扑翼飞行升力主要由扑翼下扑实现。当机身角度为0，阻力系数最小，更有利于降低飞行阻力;当机身角度存在一定仰角，可提高起飞升力。

结论：综上所述，扑翼机结构主要包括单自由度扑翼机构、多自由度扑翼机构，本文设计的驱鸟扑翼机结构可以有效满足应用需求，补充传统结构的缺陷，优势明显。在设计扑翼机上气动力分析十分关键，通过分析扑动规律和环境对于气动力产生的影响，可以发现折叠运动有利于改善气动力，满足不同飞行轨迹对于扑翼机的要求。未来还需要在结构和重量上进一步优化，降低能耗，优化扑翼机性能。

参考文献：

[1]傅雅宁，赵世恒.仿生蜻蜓扑翼飞行器模型设计与气动特性分析[J].机械设计，2021，38（10）：79-87.

[2]马程，熊晓松，吴昊，等.扑翼机结构设计及运动仿真[J].中国教育技术装备，2020（14）：27-29.