[发明专利]一种扑翼式飞行器的机翼设计方法

说明书

本发明公开了一种扑翼式飞行器的机翼设计方法，该方法通过建立扑翼式飞行器机翼的简化轮廓模型，对机翼翼面进行形态学参数化表达，并使之应用于扑翼运动学模型中确定扑翼运动的运动学参数，然后进一步构建表征柔性翼刚度的翅脉布局设计，最终得到一种完善的扑翼式飞行器的机翼设计方法。本发明大幅提高了设计效率，保证了理论设计和实际制造的连续性，满足了扑翼式飞行器机翼设计阶段针对不同需求的设计与分析需要，实现了对初步设计方案的性能快速评估与修改，缩短了设计周期。

技术领域

本发明属于飞行器机翼设计技术领域，具体涉及一种扑翼式飞行器的机翼设计方法。

背景技术

仿生扑翼微型飞行器是20世纪90年代提出的一种新型微型飞行器，因其可以实现快速起飞、加速、悬停，相比固定翼和旋翼飞行方式，扑翼飞行具有更高的机动性和灵活性。扑翼微型飞行器具有体积小、隐蔽性好、重量轻、功能强、携带方便等突出特点，这类飞行器在军事和民用方面都具有实践意义，例如：低空侦查和监视、城市反恐作战、环境监测及地震搜救任务等。

对于扑翼飞行器来说，机翼直接关乎了飞行器的空气动力特性，其中包括升力、推力及力矩的产生。机翼的设计及优化一直是扑翼式飞行器设计的重点及难点，很多研究通过比较实验来确定某种较优的翅膀外形，但是缺乏完整的机翼设计理论模型，导致机翼设计研发成本高，进程缓慢。少数机翼设计模型可以实现基础的机翼设计及性能分析，但模型简单，设计局限大，且由于材料和制作工艺的局限，实际中无法实现理论中柔性翼的刚度对样机运动特性的影响，目前大多数研究都是通过对机翼添附翅脉以实现较优的等效刚度，缺乏具体的理论深入。现阶段需要一种完善的扑翼式飞行器机翼的设计方法，可以实现机翼的一体化设计，减少理论设计与实际制造中的差异性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种扑翼式飞行器的机翼设计方法，旨在解决既有方法中存在的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种扑翼式飞行器的机翼设计方法，包括以下步骤：

S1、将机翼的外形轮廓简化为含有三个相邻直角的五边形翼面模型，确定描述机翼的形态学参数；

S2、结合步骤S1建立的翼面模型，对扑翼运动进行运动学建模，确定描述机翼的运动学参数；

S3、建立翅脉布局设计模型，并求解翅脉布局与机翼刚度的关系。

进一步地，所述步骤S1中，将翼面中相邻角都为直角的直角定义为机翼根部，并从机翼根部到尖端设定一条轴线作为描述运动学中的俯仰轴，确定描述机翼的形态学参数。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下分步骤：

S21、基于叶片元素法，沿翼展方向将机翼切分为n条刚性条带，构建刚性条带的弦长长度方程；

S22、结合步骤S1建立的翼面模型，将扑翼运动分解为连续的水平方向的拍打运动、垂直方向的扑动运动和绕俯仰轴旋转的俯仰运动，并分别建立运动方程。

进一步地，所述步骤S21中，刚性条带的弦长长度方程具体表示为

其中，C_r表示第r条刚性条带的弦长，R,C_R和d_TE分别表示翅膀的翼展、翼根弦长和后缘平宽，AR表示机翼的展弦比。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下分步骤：

S31、根据步骤S1建立的翼面模型，对机翼翼面进行翅脉布局设计，建立翅脉布局设计模型；

S32、利用步骤S31建立的翅脉布局设计模型对机翼上产生的气动升力进行回归分析，得到翅脉布局与机翼刚度的关系。

进一步地，所述步骤S32中，翅脉布局与机翼刚度的关系具体表示为