【摘要】：跨介質航行器是一種可在空中與水中巡航并能自由穿越水氣界面的新概念兩棲無人運動平臺,其入水和出水過程涉及航行器與流體介質的耦合作用、跨越介質時的載荷突變、姿態(tài)變化的瞬時失穩(wěn)等問題。如何減小入水沖擊力、防止失穩(wěn),如何控制出水載荷躍變、快速脫出水面,是研究者亟需突破的瓶頸技術。航行器入水前飛行姿態(tài)的控制策略研究,是突破其入水技術的前提,也是保證其平穩(wěn)入水的關鍵。本文將采用工程仿生學研究方法與研究手段,選取普通翠鳥作為仿生原型,分析翠鳥俯沖氣動性能和飛行策略,探索跨介質航行器入水前的變體控制策略,具體為:選取翠鳥空中俯沖時期三種典型飛行姿態(tài)為研究對象,采用逆向工程方法,使用三維掃描儀獲取了三種飛行姿態(tài)的點云數(shù)據(jù),應用Geomagic和CATIA軟件建立了三種飛行姿態(tài)物理模型。將翠鳥實物活體與其物理模型的體長參數(shù)進行對比,驗證了曲面處理的準確性。將三種飛行姿態(tài)物理模型進行幾何測量,獲得了物理模型的質心位置、翼展、翅翼參考面積和最大截面面積等參數(shù)信息。運用SLA(立體光固化)打印技術制備了翠鳥三種飛行姿態(tài)模型的試驗件,使用簡易型風洞試驗臺測量了風速為6 m/s、11 m/s、16 m/s、21 m/s下的36組氣動力試驗數(shù)據(jù),分析了不同飛行姿態(tài)翠鳥在四種速度下的升阻力特性。研究發(fā)現(xiàn):翠鳥入水前可通過調(diào)整翅翼外形和飛行速度來改變飛行氣動力。使用Hypermesh軟件將翠鳥翅翼收攏姿態(tài)模型的計算域劃分成稀疏、中等、加密三種尺度的非結構網(wǎng)格,應用LES模型模擬研究了三種尺度網(wǎng)格對翠鳥阻力系數(shù)的影響,獲取了適合計算的最佳(中等)網(wǎng)格尺度。文中三種典型姿態(tài)模型的計算域均利用中等尺度網(wǎng)格進行離散,在來流速度為6 m/s、11 m/s、16 m/s、21 m/s、26 m/s的條件下進行翠鳥俯沖氣動性能模擬。對比計算與試驗結果發(fā)現(xiàn),升阻力變化趨勢基本一致,驗證了數(shù)值模擬方法的正確性。分析翠鳥不同姿態(tài)下的氣動特性與流場特性,結果表明:三種姿態(tài)翠鳥的摩擦阻力、鳥體壓差阻力均近似相等,并且占總阻力的比例較小;翠鳥升力、俯仰力矩、誘導阻力、翅翼壓差阻力,由于翅翼外形的不同,產(chǎn)生了較大的差異。使用Hypermesh和ICEM軟件劃分計算控制域為四個子流域對接的混合型網(wǎng)格,選取SST k-ω湍流模型,采用網(wǎng)格動態(tài)分層法,應用FLUENT中的相關宏和函數(shù),在初始速度11 m/s和26 m/s、初始下滑角度60o的條件下模擬了翠鳥俯沖飛行過程。分析了整個俯沖過程中的飛行速度、下滑角度、飛行軌跡隨時間的變化關系,以及分析了不同階段下翠鳥氣動力、飛行速度、俯仰力矩、俯仰角速度隨時間的變化情況,研究結果表明:在翅翼收攏階段,翠鳥采取抬頭的方式調(diào)整飛行軌跡獲得較多升力以維持加速俯沖的穩(wěn)定性;在翅翼折疊階段,翠鳥產(chǎn)生高阻力和高升力,實現(xiàn)高速下的快速減速;在翅翼后掠階段,翠鳥在接近水面時改變升力方向,調(diào)控速度增減趨勢,獲取最佳的入水初始狀態(tài)。根據(jù)對翠鳥俯沖飛行過程的研究,探索了跨介質航行器在入水前彈翼折疊和彈翼后掠的變體控制策略。
【圖文】：

圖 1. 1 跨介質航行器發(fā)展歷程20 世紀 20~30 年代，有研究者提出了潛水飛機或者飛行潛艇的設想，認為跨介質航行器是潛艇和飛機的結合體，集成了空中和水下兩種航行器的能力。蘇聯(lián)、美國、法國等國家的研究機構相繼提出了多種設計方案，如 LPL（飛行潛艇）項目[5]、大型潛水飛機[6]、“埃利烏斯”潛水飛機[7]等。但是，由于當時技術水平的限制，基本未進入詳細設計階段。到 21 世紀初期，各國學者開始了對潛射無人機和潛航飛行器的研究。潛射無人機是通過導彈發(fā)射管或衛(wèi)星運載火箭從水下發(fā)射，機體本身不直接完成跨介質作業(yè)并且不具備水下潛航和水面航行能力的水空兩棲無人裝備。目前的潛射無人機基本采用機翼變體結構，發(fā)射前機翼處于折疊姿態(tài)，，升空后機翼逐漸展開，如“鸕鶿”潛射無人機[8-10]、“彈簧刀”無人機[11]、Sea-Robin XFC 潛射無人機[12]等，這些機翼的變形設計均可為跨介質航行器的變體研究帶來啟發(fā)。潛航飛行器不同于潛射無人機，它是一種既可以在水下潛航又

圖 1. 2 氣/水動布局設計的研究綜上可知，航行器很難以單一外形突破入水技術和滿足兩種介質下的航行要求，必須融合一定形式的結構變體和控制切換等設計，才能具備穩(wěn)定入水的能力和同時達到良好的空中/水中航行性能。目前，空中飛行變體技術已相當成熟，且隨著仿生學概念的逐漸發(fā)展，國內(nèi)外學者已從常規(guī)變體技術轉向了仿生變體技術的研究[46-49]。變體飛行器的結構變形、驅動控制、仿生設計等技術均為跨介質航行器入水前氣動特性和飛行策略的研究提供了相應地技術支撐，尤其是對仿生學的研究，將生物功能有針對性的移植到工程技術中將有可能從根本上突破跨介質航行器的瓶頸技術。1.4 鳥類飛行姿態(tài)的研究現(xiàn)狀
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：Q811;V27

【相似文獻】

相關期刊論文 前8條

1 紅嘴藍鵲;鷹之舞;;深藍色的翠鳥[J];中學生百科;2018年Z6期

2 王楚菡;;翠鳥采訪記[J];廣東第二課堂(上半月小學生閱讀);2018年06期

3 卜標;;白胸翡翠[J];探秘(科學課);2011年09期

4 王振濤;易引起歧義的生物學名稱[J];生物學教學;2004年05期

5 耿棟 ,李振文;湖北發(fā)現(xiàn)水鳥新記錄種——白胸翡翠[J];野生動物;2004年03期

6 黃伯強;;漫話珍禽翡翠[J];花卉;2015年08期

7 張金國;;封面說明[J];生物學通報;2012年10期

8 ;浙江最美鳥類之“天姿之鳥”[J];浙江林業(yè);2016年06期

相關碩士學位論文 前1條

1 張秀梅;翠鳥入水俯沖氣動特性及變體飛行策略研究[D];吉林大學;2018年

本文編號：2699019