小型和微型無人機的氣動特點和設計-朱自強.

1、第 27卷第 3期航空學報Vo l. 27 No. 32006 年5月ACT A AERON A U TICA ET A STRON A U TICA SIN ICAM ay 2006文章編號 :1000- 6893( 2006) 03- 0353- 12小型和微型無人機的氣動特點和設計朱自強 , 王曉璐 , 吳宗成 , 陳澤民( 北京航空航空大學流體力學教育部重點實驗室, 北京100083)Aerodynamic Characteristics of Small /MicroUnmanned AerialVehicles and Their Shape DesignZH U Zi- qian

2、g , WANGXiao- lu , WU Zong- cheng , CH EN Ze- min( Ministryof Educatio n K ey Laboratory of F luid M echanics, Beijing Univer sity of Ae ronauticsand A stro nautics , Beijing100083, China)摘要 : 討論了當前包括固定翼、撲翼和 微型旋 翼的 小型 無人駕 駛飛 行器( SUA V) 和微 型無 人駕駛 飛行 器( M A V) 的進展和未來發(fā)展可能涉及的技術問題 。討論了低雷諾 數(shù)空氣動力 特性 , 包括分

3、離氣泡和 展弦比 的影響 。介紹了用于拍動翼的非定常空氣動力特性和高升力機理 。討論 了目前存 在的 2 種設 計方法 多 學科 / 多目標優(yōu)化設計和探索式/ 進化式的設計方法 , 以及在 設計中柔性翼和主動智能控制的重要性。關鍵詞 : 小型 / 微型無人駕駛飛行器; 空氣動力學 ;外形設計中圖分類號 :V 211. 3文獻標識碼 : AAbstract : T he current development of small /microunmanned aerial vehicles r epresented by the platfo rms offixed wing , flapping

4、 wing and rotor wing , etc, is discussed. T he related techniques for their fur ther develop-ment are mentio ned too. T he aerodynamic characteristics of lo w Reynolds number , the influence o f separation bubble and aspect ratio are discussed. T he unsteady aerodynamics and the unsteady high- lift

5、mechanisms ap-plied in flapping wing s are int roduced. T wo available design metho ds, multidisciplinary /multiobjectiv e optimi -zation me thod and heuristic /evolutio nary method , and the impor tance in design of f lexible wing and active in-telligent contro l are discussed.Key words: small /mic

6、ro unmanned aerial vehicle; aerodynamics; shape design目前 20 多個國家正在研制和生產(chǎn)100 多種型號的軍用和民用無人機 ( UAV ),類似于第一次世界大戰(zhàn)后有人駕駛飛機的發(fā)展情況 。考慮到UAV 技術對未來戰(zhàn)爭的作用 , 為了 更有效地指導與更經(jīng) 濟和更有 成效地發(fā) 展 UAV的相 關技術 ,美國國防部為多軍兵種和國防預研局制定了UAV 的路線圖 , 它提供了國防部今后25 年發(fā)展和應用 UAV 以及無人戰(zhàn)斗機 ( UCAV ) 的步驟和途徑 ,力圖統(tǒng)一 、匯總與未來 UAV相關的各方面工作 ,描述了 UAV技術在國防領域的前景和未來

7、的潛力 , 這將加速美國UAV 技術的發(fā)展和保持它在世界范圍內(nèi)的領先地位 。從 路線圖可看出 ,美國國防部在 UAV 的研制 、采辦和使用方面的投資在 20 世紀90 年代已超過30億美元,從2000 年起又增加了10 億美元 , 估計在2010 年投資額將超過 100 億美元 。預計到 2012年美國可能擁有與 F- 16 尺寸相當?shù)腢AV ,可執(zhí)行多種作收稿日期:0000- 00- 00 ; 修訂日期:2006- 02- 16基金項目:國家自然科學基金( 10472013) 和航空科學基金( 04A51044 ) 資助項目戰(zhàn)和支援任務,包括防空火力壓制( SEAD ) 、電子攻擊 ( EA

8、 ), 甚至還可以執(zhí)行縱深打擊和遮斷等任務 ; 具備超長續(xù)航能力( 18 24 h); 可垂 直起飛( 旋翼機 ) 。 到 2027 年 UAV 可采用可變體結構 , 利用伸展蒙皮 、記憶合金來自動優(yōu)化外形 ,完成有人駕駛飛機不允許的機動動作 。當前研究的重點包括 :高空長航時 UAV ,UCAV 和小型/微型UAV 。文獻 1 討論了前 2 種 UAV 的氣動特點和設計 。本文主要討論小型 / 微型 UAV ( SUAV /MAV ) 的氣動特點和設計。1SUAV和 M AV 的飛行器平臺近年來對 SUAV 和 MAV 的設計和研究有了飛速發(fā)展 , 特別隨著微機電系統(tǒng) ( MEMS ) 的發(fā)

9、展 , MAV 更具有吸引力 。1992 年美國國防預研局在蘭德公司主持召開的一次專題會上首次提出 MAV 的概念 。1996 年美國國防科技委員會的 “21 世紀戰(zhàn)術與技術研究 ”研究強調(diào) ,要提高排一級水平士兵對作戰(zhàn)環(huán)境的感知力 , 因而 MAV 被設計成步兵使用的 “場外探測器 ”。理想價格應不高于一盤彈354航空學報第27卷藥價格 ,在 1000 美元左右 。MAV 不僅在民用 , 在軍用上 也處 于一定 的地 位 。MAV 一般要 求翼展小于 15 cm ,質量 80 g 。對于 SUAV 沒有很明確的規(guī)定與定義,一般要求典型的低高度S UAV 在 20 100km /h 巡航 速度

10、下 有盡 可能長的留空時間, 巡航高度3 300 m , 具備全天候能力 , 翼展小于6 m , 質量小于 25 kg 。美國國防預研局資助了一些 MAV 的項目計劃 ,著名的Black Widow 便是其 中的成果之一 。自 1997年開始了 MAV 比賽 , 很多大 學都參與 此項活動 ,目前已發(fā)展成US- European MAV 競賽 ( 2005年9 月 ), 大力促進了MAV 的發(fā)展 ?？梢詫⒛壳把兄芐 UAV 和 MA V 的外形分成 3 大類型 ,下面簡單介紹幾個代表性的飛行器。1. 1 固定翼飛行器圖 1 表示了飛行器質量與翼展 ( 其中 M AV中包括固定翼和撲動翼 )的相

11、對關系 ,圖中所示的飛行器中最大的是LAURA 飛行器 。圖 1飛行器質量與翼展的相對關系Fig. 1M ass vs wingspan for aircrafts圖 2 表示了位于圖 1 中 LA URA 的具有相同的機身 、載荷 、起落架和推進系統(tǒng) ( 后置的活塞式發(fā)動機和螺旋槳組成) 的 4 種外形 ,設計成不同外形的試驗機是用來研究低雷諾數(shù)翼型的。圖 2LA URA 的 4 種不同外形的試驗機Fig. 2Fourtested planes of LAURAw ith differentshapes圖 3 表示了位于圖 1 中一些固定翼的 S UAV 和 MAV 的外形 ,其中 :SEN

12、DER :巡航速度為 91 km /h , 可飛行 2 h , 但尚未有支持系統(tǒng) ;圖 3 一些固定翼的 SUAV 和 M AV 的外形 Fig. 3 Some fixed- wing S UAV and M AVDrago n Eye: 翼展約 100 cm , 可安裝于18 ×338 ×38 cm 的背包中 , 電驅動 , 質量為 2. 27 kg , 可以 64 km /h 飛行 30 60 min ;MI TE2 :翼展為 36 cm , 它是系列 M AV 研究中的 1 個 外 形 , 電 驅 動 , 可 以 32 km /h 飛 行20 min ;Black W

13、idow 2 : 這 是 AeroVironment 公司研制的目前可帶有負載的最小MAV , 它也是電驅動 ,翼展為 15.2 cm( 6 in), 總重約80 g( 完全符合美國 DARPA要求 ), 可攜帶 1 個彩色攝像機 ,在 51 km /h 的速度下飛行30 m , 并于 2000 年 8月 10 日創(chuàng)造了目前 MAV量級飛行器的飛行世界記錄 , 表 1 給出了它的飛行性能記錄。圖 4和圖 5 分別表示它的外形和內(nèi)部裝置圖。UF MAV :佛羅里達大學 ( UF ) 的 M AV 是微型活 塞 發(fā) 動 機 驅 動 , 最 大 尺 度 也 是 15. 2 cm ( 6 in), 總

14、重 52 g , 飛行速度在 20 40 km /h , 飛行時間為 15 min , 可攜帶 1 臺錄像機 。表 1 Black Widow 的飛行性能Table 1Performance summary for the Black Widow flight飛行時間 /min30最大距離 /km1. 8最大高度 /m234. 4( 769 ft)質量 /g80圖 4 Black W idow 的外形 Fig. 4 Black Widow第 3 期朱自強等 : 小型和微型無人機的氣動特點和設計355其他條件相同的情況下,撲翼 M AV ( MicroBat) 的效率僅為固定翼MAV ( Bla

15、ck Widow) 的 45 %, 因而留空時間也相當于后者的45 %。 4S RI /U TIAS Mento r flappe r它 是 SRI公司和多倫多大學的合作項目, 用來模擬 Weis-Fog h 機理 拍打和揮動效應來實現(xiàn)飛行的研究飛行器 ( 圖 8), 分懸停和前飛2 種飛行狀態(tài) , 并均已實現(xiàn) ,雖然試圖模擬生物飛行,但與實際生物相差較遠 。圖 5 Black W idow 的內(nèi)部布置Fig. 5Inner disposal of Black Wid ow1. 2 撲翼飛行器MicroBat 3 和 AeroVironment這 是 UCLA公司的合作項目 ,后者負責制造 、

16、試驗和試飛樣機 。 MicroBat 由一中央的長機身和前身加上撲動翼 ,以及尾部加上水平和垂直尾翼構成 ,它利用直流電刷電機 + 齒輪箱 + 變流機 ( 直流 - 直流)+ 小電池 (整個驅動系統(tǒng)重 9 g) 來驅動撲翼 , 翼展長度 22. 9 cm ( 9 in), 質量為 14 g ,圖 6 表示了它的外形 。在 2002年 8 月飛行 25 min ,創(chuàng)造了小尺寸撲翼機的世界記錄 。圖 7 給出了 MicroBat 樣機的飛行照片 。BlackWidow 在同樣的電池下與 MicroBat 不同 , 它在帶有彩色錄像機遠 距離聯(lián)系設備 和自動飛行控制系統(tǒng)等載荷下 ,仍可飛行 31 m

17、in , 因此粗略估計在圖 8 SRI /UT IAS M entor flapper 外形Fig. 8 SRI /U TIAS M entorflapperNPS flapper - wing 5它由 1個前置M AV固定翼和2 個對稱的拍動尾翼組成(圖 9), 后者產(chǎn)生推力, 前者產(chǎn)生升力, 以電池作動力, 電動機+ 變速箱 ( 2. 6 g) 予以驅動 ,主翼的翼展 27 cm , 弦長14. 5 cm , 并裝有一個立尾 。拍動尾翼為 25 cm翼展 和 4 cm 翼 弦 , 飛 行 器 總 的 外 形 尺 寸 為27 cm ×18 cm , 飛 行 質量13. 4 g ,

18、飛行 速 度 2 5 m /s , 可以飛行 15 20 min 。圖 6 M icroBat 示意圖Fig. 6Shape of MicroBat圖 7 M icroBat 的飛行照片F(xiàn)ig. 7MicroBat M AVin fl ight圖 9 NPS flapper- w ing M AV 外形Fig. 9 NPS flapper- wing1. 3 微型直升機在微型直升機的研究中 , 有 2 種不同的技術路線 , 一種強調(diào)小型化 ( 主要關注于機身結構設計 ), 另一種則強調(diào)空氣動力學設計 。在空氣動力設計方面 , 除常規(guī)布局外 , 還存在以下幾種形式 6 :( 1) 四旋翼 ( Q

19、uad- rotor ) 直升機 具有良好的盤旋性能 ,并且在較高速度飛行時氣動性能優(yōu)于其他微型直升機 , 從而可獲得更大的飛行距離和更長的飛行時間 , 圖 10 給出了其示意圖 。356航空學報第27卷( a)結構示意圖圖 10四旋翼直升機示意圖Fig. 10Quad- rotorhelicopter( 2) 微型自適應 ( M ini- Mo rpher ) 直升機如圖 11 所示 , 它可根據(jù)飛行條件改變機翼外形,使得在盤旋和低速前飛時都能取得較好的氣動性能 。( a)盤旋狀態(tài)下結構( b)前飛狀態(tài)下結構圖 11微型自適應直升機Fig. 11Mini- Morpherhelicopter

20、( 3) 雙旋翼 /機身傾斜翼直升機傳統(tǒng)的傾斜翼直升機將旋轉翼和發(fā)動機放置在翼梢處, 而該型直升機則將旋轉翼放置于機身結構內(nèi),可有效避免低空飛行或著 陸時發(fā)生意外 的碰撞 。圖 12 為其示意圖 。圖 12雙旋翼 /機身傾斜翼直升機Fig. 12T andem tw in- fuselage tilt rotor( 4) 共軸直升機設置了2 組鏡 像對 稱的動力傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和旋轉翼。采用 16 芯鋰電池 ,可進行6 min 的盤 旋和低速前飛 , 旋翼直徑 0. 982 m , 質量約為3. 5 kg , 結構和 飛行照片見圖 13 。( b)飛行試驗照片圖 13共軸直升機Fig. 13

21、Coaxial H elicopter( 5) Mesicopter 微型直升機Kro o 和 Prinz正在設計 1 種微型旋翼直升機Mesicopter 7 , 它具有 4 個旋翼 ,呈正方形分布 ,尺寸很小 , 可放置于手掌之上 ,對旋翼的制造和電池 、傳感器技術要求較高 ,見圖 14 。圖 14 M esicop ter 微型直升機 Fig. 14 Mesicopter1. 4MAV 發(fā)展的幾點思考 3( 1) 近期發(fā)展中上述3 種形式的MAV會并存 , 很難說誰將會變成主流 。當前美國軍用的最小無人機為固定翼形式的 Dragon Eye, 它的翼展屬1000 mm 量級 ,若尺寸縮小

22、至100 mm 和 10 mm ,可能仍是固定翼或旋轉翼的形式為主 ;若進一步縮小至 1 mm或更小 ,則撲翼會具有更大的優(yōu)越性 , 因為它可以利用在更小的雷諾數(shù)時的非定?？諝鈩恿?。目前低雷諾數(shù)空氣動力學專家還持不同的意見 , 一種意見認為即使在極低的雷諾數(shù)時撲翼飛行的效率仍是低于固定翼 + 螺旋槳飛行的 ( 圖 15),另一種意見認為固定翼+ 螺旋槳 MAV的效率在第 3 期朱自強等 : 小型和微型無人機的氣動特點和設計357極低雷諾數(shù)時將降低很大 ( 圖 16), 而由于利用非定?？諝鈩恿ΜF(xiàn)象和前緣渦 、撲打 、揮動等能合理地維持撲翼推進的效率 ,因而需要更深入地研究和設計 、制造 、試

23、驗多種樣機 ,來回答此問題 。圖 15 1 種意見認為在很小尺度下固定翼或旋轉翼將比撲翼占優(yōu)Fig. 15One school of th ought proposes that propellers will continue to be m ore efficient than flapping win gs at very small scales見圖 17 。而對于翼展2. 7 m( 8 ft), 質量 3. 6 kg( 8 lb) 的大展弦比、高翼載的Pointe r UAV ,其結構質量的比例高達50 %, 因而未來更小的M AV優(yōu)化設計時無需將結構系統(tǒng)耦合于其他子系統(tǒng),而將設計主

24、要精力集中于提高推進效率。當然對于超微型無人機盡可能地減小其結構質量仍是重要的 。表 2Davis 等設想的 MAV 的質量分布Table 2Mass distributionof MAV proposed by Davis etal .部位質量 /g機身6推進系統(tǒng)36飛行控制系統(tǒng)2通信系統(tǒng)3視覺傳感系統(tǒng)2總質量49圖 16一種意見認為在 很小尺 度下?lián)?翼將比 固定翼 或旋轉翼占優(yōu)Fig. 16Anothers choolof thoug h proposesthatflappingwings w ill become more efficientthan propellersatvery

25、small scales( 2) 不管何種形式,M AV 發(fā)展的趨勢是體積愈來愈小 ,其發(fā)展的速度將取決于商用的M EM S小型化的速度 , 只要其商用載荷小型化 ,M AV 可以完成現(xiàn)有的較大的 UAV 的任務 ,而當載荷一旦變小和變輕后 ,則飛行器的大小就由 MEM S 的技術水平來確定了 。未來 M AV 發(fā)展的最大挑戰(zhàn)是能源系統(tǒng) 、馬達 ( 電動機 ) 、電子設備 、攝像機和優(yōu)化低雷諾數(shù)空氣動力的伺服系統(tǒng)等的小型化。有些專家認為 : 當 MAV 采用了 1 項新發(fā)展的商用技術 , 而不是僅在現(xiàn)有的M AV子系統(tǒng)技術的基本研究上改進,就可能發(fā)生M AV 的“突破 ”。( 3) 由于幾何尺

26、寸減小,結構質量占總飛行器質量的百分比是 減少的 ,Davis等 8最初提出MAV 的設想中總飛行器質量也僅占12. 2%, 而推進系統(tǒng)占 73.4%, 見表 2。只有 15cm 尺寸的第一代的 BlackWidow 結構質量比例只占17 %,圖 17 Black W idow 質量分布Fig. 17M ass distribu tion of Black Widow( 4) 一個很值得思考的問題是在極低雷諾數(shù)時到底用定?？諝鈩恿W還是用非定?？諝鈩恿W來實現(xiàn)最大效率, 換句話說是否一定要用仿生學的非定?？諝鈩恿W這一問題至今尚未有很明確的答案 ,需要生物學家和空氣動力學家以及工程技術人員一起

27、來尋找此解答 。( 5) 從已知的小昆蟲在低雷諾數(shù)時利用捕獲前緣渦來獲取黏性效應以減小飛行要求的功率,因此在更低雷諾數(shù)時可研究新的概念, 如使用游泳式機翼運動來優(yōu)化飛行方式 。這應該是基礎研究的 1個方向 。( 6) 隨著尺寸的減小 , 飛行器的穩(wěn)定和操縱問題會變得更為尖銳 , 由于隨著尺寸的縮小 , 陣風阻尼 、翼展影響、機 翼載荷影響和慣性矩變得更差 , 因此飛行器動態(tài)頻率增大 ,同時要求增加控制機構和增大感受器的帶寬 。( 7) M AV 的推進系統(tǒng)基于商出化的支持、高現(xiàn)實性 、低噪聲和低成本, 目前仍以電驅動為主,但隨著尺寸的減小 , 電動機的工藝和電池也都面臨著困難 ,幸運的是商業(yè)上

28、的發(fā)展趨勢是樂觀的(圖 18和圖 19)。358航空學報第27卷圖 18電動機效率與質量的關系曲線Fig. 18Plot of peak measured efficiencies for various com-mercially availab le small motors圖 19 電池有效能量 ( 每千克質量的有用功率 ) 的技術進步Fig. 19 Battery tech nology trends1. 5 超微型無人駕駛飛行器 ( Nano Air Vehicle-NAV )最近美國國防預研局啟動超微型飛行器( NAV ) 計劃 9 , 要求飛行器的尺寸在長、寬、高 3個方向上都不

29、大于 7. 5 cm ; 質量不超過10 g( 包括 2 g 的載荷 ); 能以 5 10 m /s( 18 36 km /h )的前飛速度飛行1 km 和低速 ( 0. 5m /s) 飛行大于60 s ,再懸停60 s, 并可控地從懸停狀態(tài)著陸; 飛行器的導航誤差每平方公里限于0. 5 m 內(nèi) 。上述任務要求的飛行器研制將通過2 個階段實現(xiàn)。目前約 18 個月的第 1 階段任務為: 發(fā)展能設計出低雷諾數(shù)下高性能翼型的計算空氣動力學模型;顯示可靠的機翼制造原理和實現(xiàn)大于0. 1 kg /m2 的翼載的能力 ;實現(xiàn)在低雷諾數(shù) ( Re<15 000) 時翼剖面的定常升阻比大于 8 。 在輕

30、型 、可靠的推進和能源方面,顯示出從電能轉換成機械能的效率要大于 20 %, 能保證包括懸停時間大于 1 min 和巡航飛行 1 km 的名義任務所需的能量要求 。發(fā)展和保證 NAV 在 5 knot 陣風下1 km 飛 行范圍 內(nèi)目標 位置精 確于 0. 5 m 內(nèi)的 LOS( 瞄準線 ) 導航的能力 , 且能在封閉建筑內(nèi)無GPS 下仍然高效地遙控 , 演示建筑內(nèi) NAV 系統(tǒng)的仿真導航 。 綜合的系統(tǒng)設計 ,設計系統(tǒng)必須保證 :懸停時間大于 1 min , 高 、低前飛速度的順利轉換 , 大于 1 km 距離和持續(xù) 20 min 內(nèi)實現(xiàn)可靠的命令和控制能力 ; 在 NAV 的總重下推重比的

31、實際測量值應大于 1; 系統(tǒng)的總 重要小于 10 g 和包含直徑 10 mm 和深度 5 mm 至少輕于 2 g的任務載荷 ; 系統(tǒng)應具有在 1 km 范圍內(nèi)由地面控制站遠距操作的能力 。實現(xiàn)上述要求的 NAV 系統(tǒng)可提供為精確發(fā)射和攜帶小型 、多功能傳感裝置至一些大型探測手段無法達到的目標 ( 如屋內(nèi) 、橋下 、隧道內(nèi)等 ) 地點的 1 種在軍事上重要的有效手段和工具 。之所以能提出這樣的計劃是由于近年來對小雷諾數(shù)下的空氣動力學開始有了一定的了解和 MEMS 技術的發(fā)展 , 有可能使用納米量級的微器件元件 。目前此方向已出現(xiàn)一些研究成果 10 , 如 Aero-Vironment公司研發(fā)的重

32、180 g 的“Ho verfly ”(圖20),它裝有 共軸的螺旋槳, 可以垂 直起落 , 懸停7. 3min ,而后轉換成前飛狀態(tài)下飛行13. 2 min 。該公司還 研發(fā)了拍動翼的撲翼機 MicroBat 。荷蘭的 Delft大學研制的 DELFLY11,它可以自動通過窗戶,然后在屋內(nèi)慢飛, 具有X 翼結構和 V型尾 翼 ( 圖 21),質 量 17 g, 翼 展 35 cm , 根 弦12 cm , 用 3. 7 V 鋰電池做動力,以 1. 8 m /s 的速度飛行了 12 min 。美國海軍研 究實驗室研制了一種重 300 g 的使用一對相互重疊和互反方向旋轉的單葉片旋翼的 Sama

33、ra 飛行器 。值得一提的是喬治亞理工學院受 NASA2000 和 2002 年兩次資助的 “Entomo pter ”(昆蟲飛行器 ) 研究成果 12 , 它是作為 1 種微 型火星探 測器要求 1 h 的 留空時間研制的 , 它采用 X 機翼布局的撲翼機 , 每個機翼翼展為 15 cm , 使用交替擺動的所謂化學肌肉( RCM ) 驅動 機翼拍 動產(chǎn)生升 力和推 力 , 并同時產(chǎn)生電流 和用于 機翼 環(huán)量 控制 的氣 流 , 通 過在左右機翼上產(chǎn)生的差分升力用于滾轉的控制 , 這是區(qū)別于目前大多數(shù) M AV 使用電池作為能源的 1 種新型的驅動方式。圖 22 表示了它的外形圖 。上述已有的

34、成果距NAV的要求尚有一定距離 , 且以實驗室研制至最終成為無人機系統(tǒng)尚會碰到一系列挑戰(zhàn)性的困難 ,誰將會獲得美國國防預研局第 1 階段的資助 ,成為第 1 個 NAV 系統(tǒng) , 人們將拭目以待 。圖 20 Hoverfly 的外形圖Fig. 20H overfly第 3 期朱自強等 : 小型和微型無人機的氣動特點和設計359圖 21 Delfly 外形圖Fig. 21 Delfly圖 24飛行器翼展與總質量的關系曲線Fig. 24Wings pan vs mass of aircrafts圖 22 Entomopter 外形圖Fig. 22En tomopter圖 25飛行器及生物鳥的飛行M

35、a 與 Re 的關系曲線Fig. 25Ma vs Re of aircraftsand birds2 空氣動力和氣動設計的特點2. 1 低雷諾數(shù)流動特點繞 SUAV 和 MAV 流動的特點是流動的雷諾數(shù)很低 ,這是由其小的特征尺寸和低的飛行速度決定的 ,也使得弦長 Re 很低 ( 15 000 500 000) 。圖 23 表示了不同飛行器的雷諾數(shù)與總質量之間的關系曲線 ?？梢?SUAV 位于鳥和航模的飛行范圍內(nèi) ,圖 24 表示了機翼翼展和雷諾數(shù)的關系曲線 。以上兩圖表示了它們繞流的雷諾數(shù)比通常飛機小得多 , 而如此小的雷諾數(shù)范圍的氣動特點過去研究得很不夠 。圖 25 表示了不同飛行器以及生

36、物鳥的飛行Ma 與 Re 之間的關系曲線 。眾所周知 , 飛行器 ( 機翼 ) 的空氣 動力 效率 CL /CD 不僅 取決 于幾 何外圖 23飛行器的雷諾數(shù)與總質量的關系曲線Fig. 23Reynolds numb er vs m ass of aircrafts形 , 同樣還取決于流動條件 ,若用無因次參數(shù) , 在航空的飛行范圍內(nèi)即可用 Ma 和 Re 來表征流動條件 。為了取得最佳性能 ,外形只能針對某一特定的較窄的 Ma Re 范圍內(nèi)來設計 , 圖中可見對于 UAV 其 Ma Re 的范圍較寬 ,因此需要針對一定的要求范圍內(nèi)設計外形 , 這也說明了為什么可以出現(xiàn)眾多 外形的飛行器 外形

37、 。S UA V 飛行器要求有效的低雷諾數(shù)翼型 , 它們應對風切變 , 陣風以及由沉淀 ( 雨 、灰塵等 ) 引起的表面粗糙度不敏感 ,人們希望 SUAV 在有大陣風時仍能飛行 ,這將涉及到低雷諾數(shù)的非定常空氣動力學的研究 , 這是最近才提出的 1 個研究課題 ,而對此過去研究得很不夠 。當然為了裝箱 、運輸和發(fā)射前的操縱要求盡可能小的機翼面積也是重要的。繞 MAV 流動的雷諾數(shù)較低 ,來流中的頻率和脈動變化會對空氣動力產(chǎn)生比一般飛行器更大的影響,同時來流中的脈動速度和 MAV 的 20 40 mph 的速度相比 ,較一般飛行器要大得多。2. 2 低雷諾數(shù)時固定翼的定常空氣動力 13( 1)

38、固定翼的SUAV 和 M AV繞流的重要特點是低雷諾數(shù) (30 000 500 000),研究表明 :30 000 Re 70 000 之間 , 由于層流分離并轉捩至湍流可使相對較厚 ( 6 %) 翼型造成升力和阻力的遲滯現(xiàn)象 。Re 50 000 層流分離的自由剪360航空學報第27卷切流一般不再轉捩至湍流和再附于翼面,當此分離點到達前緣會使翼型升力劇減, 阻力劇增而形成突然失速 。大多 數(shù) MAV和 SUAV 飛 行的Re 范 圍是70 000 200 000 ,除了對于某些特殊翼型會形成層流分離氣泡外 , 大部分翼型可實現(xiàn)大面積的層流,故大大改善了氣動性能 。當 Re> 200 0

39、00 時 ,由于分離氣泡變短 , 使廢阻減小而大大改善翼型性能 。( 2) 分離氣泡的影響層流分離氣泡在低雷諾數(shù) 時使翼型阻力增大和升力減小 ,翼型上的邊界層在最小壓強點后保持層流 ,然后分離 ,形成自由剪切流 。當 Re< 50 000時此分離剪切流不再重附 ,Re > 50 000 在剪切層內(nèi)發(fā)生轉捩 ,只要逆壓不 是太強 ,流動可以再附翼面 , 形成 1個時間平均的回流區(qū) 。由于它相當于起著 1 個邊界層轉捩帶的作用 , 故稱為轉捩分離氣泡 。在低雷諾數(shù)時轉捩分離氣泡會占到翼型表面的 15 % 50 %, 稱為長氣泡 。當它擴展至后緣時發(fā)生失速 ,這時對翼型的失速特性產(chǎn)生劇變

40、影響( 升力突降和阻力突增) 。 而在高雷諾數(shù)時通常出現(xiàn)的是短氣 泡 , 升力隨迎角線性增 大 , 直到失速 ( 短氣泡破裂 ) 。分離氣泡的性態(tài)也是某些翼型發(fā)生遲滯現(xiàn)象的因素 。在氣泡最大厚度點后流動是定常的 ,而在此( 圖 26 中 T 點) 以前 ,測量表明流動是相對定態(tài)的( 即該點處發(fā)生了轉捩 ) 。因此 ,要設計有效的低速翼型必須要準確確定分離氣泡的位置和大小 。圖 26轉捩分離氣泡的時間平均特征Fig. 26Tim e- averaged featuresof a tran sitionals eparationbubble在低雷諾數(shù)時分離和再附的弦向位置, 分離氣泡的中心位置強烈

41、地受物面附近流動的影響。當考慮到繞柔性機翼流動時 , 氣彈耦合特性使流動結構更為復雜化 。( 3) 展弦比的影響大多數(shù) SUAV 設計都是在給定巡航速度下要求盡可能大留空時間 ,它主要取決于機翼的升阻比1 . 5CL /CD 或航時因子CL/CD , 因此可以通過增大展弦比來實現(xiàn) 。低 Re 時不同展弦比機翼特性為 : 中等展弦比 (AR在3. 05. 4之間)機翼在 SUAV早期設計階段都采用已有的低速翼型,如 LAU RA 采 用 FX63- 137 , RF1165FB 和LA2573A , 并在不同設計 速度下 , 設 計不同機翼的飛行器外形 ,作了半模風洞實驗或全模飛行試驗 , 測得

42、最大升阻比達 20 27 , 還研究了分離氣泡和翼尖渦的影響 。后來第二代 SUAV 設計中采用了 Eppler 和 Drela 的專用設計翼型 ,有些成功地用于 SUAV 中 , 也 作了雷諾數(shù) 為 60 000 500 000 范圍的風洞試驗 14- 16 。小展弦比 ( AR < 2. 0) 機翼M uelle r 等最近對非 三 角 形 的 LA R 機 翼 作 了 R e = 60 000 200 000范 圍 內(nèi) 的 風 洞試 驗 17 ,18 。To rres 的 研究 19 表明原有的氣動理論對于LA R 流動仍然有效 , 對于給定展弦比的有限翼展機翼正確地預示了產(chǎn)生的升

43、力和翼梢渦 , 隨著迎角增大 ,這些渦的渦強也增強 ,不同的是對于LA R 機翼 , 翼梢渦覆蓋于機翼的大部 , 因而對機翼空氣動力特性的影響也更大 。對于 AR < 1. 5 機翼的研究表明 , 可以認為存在 2 個升力的來源: 線性的和非線性的 。線性的部分如同大展弦比機翼一樣, 非線性升力的產(chǎn)生則類似三角翼大迎角時的情況, 它增加了升力線斜率和增大了失速迎角。2. 3 應用于拍動翼推進的非定?？諝鈩恿? 1) 準定?？諝鈩恿W最早是采用準定常理論來研究拍動翼的空氣動力特性的 ,例如生物學家用來研究動物的飛行 。但此模型僅適用于大的前進比 的條件 ,其中 為=速度= cv弦長 

44、15; 拍動頻率f但對于動物和撲翼機的實際飛行是無法滿足此條件的 , 例如即使是快速撲翼機 , 其最高的 也只有 10 的量級 ,這時非定?？諝鈩恿Φ挠绊懭允呛艽?因此需要研究非定常空氣動力學。 T. J. M ueller 和 J. D. Delaurie r 對振 動翼 推進的非定常空氣動力學理論和應用作了綜述 13 ,討論了包括Garrick的振 翼 翼型 和 改進 的 “分 段理論”, 考慮彈性變形的影響,以及有關的實驗研究。( 2) 昆蟲翅的拍動運動的研究昆蟲是最早出現(xiàn)、數(shù)量最多和體積最小的飛行者 ,其翅膀運動的 Re 很小 , 約在 102 104 之間 。為了解昆蟲的生態(tài)學、生理

45、學以及對它們的進化的影響,生物學界很早就開始關注對支持其 20第 3 期朱自強等 : 小型和微型無人機的氣動特點和設計361飛行所需 的空氣 動力和 能量 的消耗 , 近期 由于MAV 的需求 , 使工程界也希望了解與借鑒昆蟲飛行的機理 ,借以運用和推動M AV 的發(fā)展 ,昆蟲真實模型的定常風洞實驗結果表明, 在上述低 Re范圍內(nèi)只能產(chǎn)生很小的升力, 例如 ,果蠅翅的最大升力系數(shù)只有約 0. 6 , 蜻蜓翅的只有1. 0 ,這樣的升力不可能平衡它們的重量, 更不能提供機動飛行所需的附加氣動力 , 因此必須依靠非定?？諝鈩恿W 。實際的需求促使人們增大了對昆蟲飛行的機理和它們翅膀的拍動運動研究的

46、興趣力度,希望尋求空氣動力學新概念, 藉以推進 M AV的發(fā)展 ,計算流體力學 ( CFD) 和先進的實驗技術的迅速發(fā)展 也使人 們在此 方面 取得很 多成果 , 孫茂 20 對昆蟲能產(chǎn)生支持它們飛行的高升力原因和它們能耗的分析作了文獻綜述和給出了他們的相關的研究成果 ,可歸納前述如下 : 昆蟲翅的拍動運動很多學者從觀察中得知 ,昆蟲的飛行依靠在近似于1 個稱之為拍動平面內(nèi)拍動其翅膀來進行的 ,拍動平面和昆蟲物體的縱軸夾角幾乎是一常數(shù) , 例如 , 1 種天蛾在懸停時為 55°,而在最大飛行速度前飛時為 75°,翅膀前后掃略角 ( 拍動振幅 ) 約從 60°(食蚜

47、蠅 ) 到 120°(金龜子 ,蛾) 。 一般翅膀向前的拍動是向前和向下 ( 稱下拍), 向后的拍動是向后和向上 ( 稱上揮 ), 在拍動平面內(nèi)的運動稱 “平動”,而兩拍動之間翅膀的翻轉稱“轉動 ”,下拍與上揮中產(chǎn)生同樣的升力和同樣的阻力( 但方向相反 ), 因而 1 個周期中翅上的平均氣動力是垂直向上 , 阻力的平均值為零 。圖 27 給出了 1 個周期內(nèi)的運動剖析 20 ,圖 28表示了蜂鳥懸停時圖 271 個周期內(nèi)的運動剖析Fig. 27Non- dimension al tran slation ( azim uthally rotation ) velocity and r

48、otation velocity in one cycle. SH F : simple harmonic function ; TF , trapezoidal function.圖 28蜂鳥懸停時翅膀的運動示意圖 21Fig. 28A hum ming bird du ring hovering翅膀的運動示意圖 。 昆蟲飛行的非定常升力機理Weis- Fogh 機制 2 2Weis- Fo gh 在觀察 1 種小黃蜂拍翅運動中提出了 “合攏 、打開 ”( clap 和sling) 機制 , 認為兩翅 合攏后的快速打開是產(chǎn)生高升力的主要機制 。 Lighthill, Max w orthy 等通過理論和實驗對此機制作了探討, 這是人們研究昆蟲飛行原理的第 1 個非定常機理 。Elling to n 等的 不失速 機制 2320 世紀 90年代初人們開始具體研究昆蟲的非定常流動過程和其中的機理 ,開始認識到昆蟲可能利用動態(tài)失速機制 ,即保持瞬態(tài)高升力的機制來產(chǎn)生足夠的升力 ,Elling ton 等通過對鷹蛾及其翅膀的自動拍動模型的流動顯示 , 觀察到由于存在一展向流動 , 穩(wěn)定了失速渦 ,而使拍動翅的失速渦在整個平動過程中都不脫落,這一重大發(fā)現(xiàn)被稱為“不失速機制”, 并被以后的實驗和計