[发明专利]基于仿生柔性机翼的小型无人飞行器飞行动力学优化方法

说明书

本发明公开的基于仿生柔性机翼的小型无人飞行器飞行动力学优化方法，属于小型固定翼无人飞行器总体设计与飞行动力学领域。本发明通过模仿大型滑翔鸟类翅翼几何、结构特点设计仿生柔性机翼；基于仿生柔性机翼，对机翼模态分析得到扭转部分十分显著的前几阶模态；将得到的前几阶模态方程组与飞行动力学方程组联立，并加入弹性形变产生的气动力耦合项；得出仿生翼气动弹性效应对飞行动力学耦合作用影响，提炼关键性参数，在不改变机身结构布置和总体气动布局的情况下，通过调整机翼结构设计调整关键性参数的正负号和大小，进而调整机翼气动弹性与飞行动力学的耦合形式，达到减小短周期频率增加短周期阻尼比、减缓小型无人机阵风扰动的目的。

技术领域

本发明涉及一种基于仿生柔性机翼的飞行动力学优化方法，属于小型固定翼无人飞行器总体设计与飞行动力学领域。

背景技术

对于小型固定翼飞行器而言，低雷诺数下飞行时产生的阵风扰动问题一直制约相关技术发展。这使得其飞行动力学特性优化工作更具挑战性。主要以滑翔方式飞行的大型鸟类的飞行雷诺数与小型无人机相似，因此同样会受到突风扰动的较大影响。这同鸟类柔性翅翼的气动弹性效应有一定关系。

仿生柔性机翼通过在设计上借鉴鸟类翅翼的结构特点，使其气动弹性效应对飞行动力学特性产生影响，减缓突风情况下的动力学扰动。仿生柔性机翼在设计上具体借鉴了鸟类翅翼的三种特点：第一是用薄的湍流翼型模仿鸟类翅翼的翼型；第二是通过在弦向布置加强筋模仿鸟类飞羽的羽轴—羽片结构；第三是通过在局部修改薄膜的厚度和材料，增加靠近前缘部分的刚度和质量，降低后缘部分的刚度和质量，进而模仿鸟类翅翼的质量、弹性轴靠前的特征。

小型固定翼飞行器的设计过程中主要特征尺寸都要严格控制，并且机身内部各个子系统部分需要高度集成密集排布，因此，通过增加尾翼面积、增加尾翼气动力矩、修改机身内部惯性特性安排等传统的总体设计优化方法在实际应用中会受到严格限制。

发明内容

本发明公开的基于仿生柔性机翼的小型无人飞行器飞行动力学优化方法，要解决的技术问题是提供一种基于仿生柔性机翼的气动弹性效应来改善小型无人飞行器飞行稳定性的方法，在不改变机身结构布置和总体气动布局的情况下达到增强飞行稳定性，减小阵风扰动的目的。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的基于仿生柔性机翼的小型无人飞行器飞行动力学优化方法，通过模仿大型滑翔鸟类翅翼几何、结构特点设计仿生柔性机翼，所述的几何、结构特点包括薄翼型、弦向翼肋和前置弹性、质量轴。其中薄翼型产生的低扭转刚度将导致突风扰动下气动力变化产生较大扭转弹性变形，进而影响机翼的局部攻角与升力变化，对飞行动力学的短周期特性产生直接影响；弦向翼肋的配置用于保证薄膜翼型在弹性形变过程中没有显著扭曲，有利于气动力与弹性形变量之间关系的线性化；前置弹性、质量轴则有助于机翼产生有利于减缓突风扰动的弹性变形。基于所述仿生柔性机翼，对机翼进行模态分析得到扭转部分十分显著的前几阶模态。将得到的前几阶模态的方程组与飞行动力学的方程组联立，并加入弹性形变产生的气动力耦合项，即得到准解析的，耦合了机翼气动弹性的纵向飞行动力学模型的状态空间形式。从所述的准解析模型中得出仿生翼气动弹性效应对飞行动力学的耦合作用影响的具体数学表述，提炼关键性参数，并通过关键性参数理清仿生柔性机翼的几何特性与机翼气动弹性对飞行动力学耦合作用之间的因果关系，并据此指导仿生翼结构设计修改，最终对小型无人飞行器飞行动力学产生期望的耦合效应，即在不改变机身结构布置和总体气动布局的情况下达到增强飞行稳定性，减小阵风扰动的目的。

本发明公开的一种基于仿生柔性机翼的飞行动力学优化方法，包括如下步骤：

步骤一：根据小型无人飞行器设计要求设计带有薄膜翼型的仿生柔性机翼的气动外形。

所述的设计要求包括小型无人飞行器基本载荷需求、巡航速度和尺寸限制。

所述薄膜翼型指翼型的最大厚度不超过弦长的百分之二。