实验调查Feather-Covered扑翼的空气动力学

文摘

鸟类飞行比人造扑翼小牛有杰出的表现。考虑到羽毛是光和强大,一种新型的扑翼是设计和制造的,其骨架碳纤棒和鹅的羽毛所覆盖的皮肤。的空气动力学测试实验,可以与传统的人工拍动翅膀的碳纤维棒作为骨架和聚酯膜作为皮肤。结果表明,羽毛翅膀能产生更大的升力比相同的膜翅拍动运动学,因为羽毛翅膀羽毛在一击之间可以有槽过程中,主要是减少负升力。同时,功耗也显著减少,由于减少周期性的升程曲线的波动范围,减少电梯的抵消消费。同时,生成的手臂羽毛翅膀和膜翅彼此相似,从而增加随着扑动频率的增加。一般来说,羽毛翼的气动性能是优于膜的翅膀。

1。介绍

扑飞行被认为是潜在的改善时效率低再保险数量小于10⁵。自然的传单、鸟类、蝙蝠和昆虫,在不同环境中非常敏捷。人造扑翼小牛的目的(FMAVs)是模仿的能力或者自然传单尽可能多的美女。人造FMAVs仍远的飞行能力自然同行由于微电子技术的当前技术水平,材料,和复杂流动机制。

的空气动力学FMAVs几乎是由拍动翅膀,几何学图形,运动学,变形的举止。扑飞行,弹性变形对推力的一代具有重要影响。有一些网络把生成的一个刚性拍打运动;刚性翼所产生的推力是远远低于灵活的翅膀。空气动力学和弹性变形相互联系紧密;他们的关系是一个关键的设计一个高效的扑翼(1- - - - - -4]。

弹性变形可以分为两类。一种变形被动,像大多数FMAVs Nano蜂鸟(5),BionicOpter (6],等等7- - - - - -10]。另一种可以在一定程度上积极变形,如飞行(11]。即使是活跃的变形,它不是完全活跃;仍然有一些被动变形发生,例如,外翼或后缘的一部分。

昆虫的翅膀运动学完全取决于肌肉的翼根。这是类似于大多数FMAVs;翅膀拍打在根的驱动机制。所有的变形翼是被动的。大量的调查发表关于昆虫的翅膀。他们表现出明显的变形在和弦和span-wises [12- - - - - -15]。

鸟,翅膀可以做一些复杂的运动由于骨骼结构像人类的武器,如扭转、弯曲或折叠。也就是说,鸟类翅膀的输入运动是更复杂的比昆虫翅膀。然而,如果你看看外面的部分和后面的翅膀的一部分,称为初选和次要的16),这些羽毛也被动变形的变形方式只有根驱动。

一般来说,鸟和昆虫飞部分相似的方式;的输入运动礼仪的差异。也就是说,被动变形主要决定了空气动力学。如果我们想要有一个优秀FMAV,灵活的结构设计和运动学应该小心。

鸟类的翅膀覆盖着羽毛,这必须有一个非常重要的影响效率高。鸟翼的肌肉很难模仿或使用。羽毛是相对容易获得,比如鹅或鸭的翅膀羽毛。目前,碳纤维棒和聚酯薄膜是一种常见的选择扑翼,轻质量,弹力好,强度高。碳纤维的羽毛杆比较,我们可以发现羽毛有一个完美的结构。羽毛角蛋白,弹性,光,和强大的。这是一个圆柱形管截面在他们的基地。

来研究想法:是否FMAV将有一个更好的性能时,翅膀覆盖着羽毛。因此,羽毛的翅膀和测试并与聚酯膜。

2。实验装置

2.1。拍打机制

扑机制由伺服电动机、减速器、架、杆、齿轮、摇臂、连接板、和安装框架,以最大水平和垂直尺寸53毫米和62毫米,分别如图1。

作为直接输出功率组件,直接驱动电动机的性能通常是确定一套完整的拍打机制的性能。2057年代德国Faulhaber一系列选择伺服电动机作为驱动电动机。

电机采用双极的设计。使用信使,中空玻璃、倾斜绕组,转子绕组使它获得高功率、高动态性能的范围内小尺寸和轻量级。电机可以实现复杂的数字通信通过can总线和控制。内部控制模式可以控制速度和位置精确、迅速,因为闭环控制。

由于内部集成的各种传感器,电机可以返回实时位置,速度、电流、电压等参数在运行的过程中。同时,电机有一个行星齿轮减速器不回差的减速比43:1。输出速度和拍打频率是一致的;因此,不需要额外的齿轮减速器设计。

拍打机制采用四连杆的设计。马达驱动器输出板,连接杆摇杆扑在齿轮传动。有几个洞来控制拍动幅度;每个am-hole都有不同的距离输出板的中心,和不同的am-hole实际上代表一个不同的曲柄长度。

2.2。Nano17力和扭矩传感器

产生的气动力扑翼很小的绝对值和周期性的交变力测量的特殊要求。普通的六个组成平衡总是困难实现小范围测量和糟糕的动态响应。例如,盒式平衡有很大的规模,这将会对气动干扰性能;杠杆平衡刚度小,这可能会引起振动的周期性负载下不利于测量扑翼。

Nano17 si - 12 - 0.12力和扭矩传感器的ATI公司选为扑翼的平衡实验。这些系列传感器微枢纽轮辐设计,高强度不锈钢和钛合金应变分量,并采用灵敏度高硅应变计。适用于微型扑翼风洞实验范围相对较大,体积小,灵敏度高,响应速度快,大的刚度。平衡已经应用于多个微扑翼由几个研究小组测试。传感器的一些关键参数如表所示1。

2.3。柔性扑翼

我们测试两种拍动翅膀。一个是由碳纤维和聚酯膜,如图2离开了。翼是一个基础模型,这也是我们日常使用的结构。另一种扑翼羽毛盖,如图2正确,具有相同的形状和面积的基底翼比较。两种类型的翅膀有相同的大小,与半跨26厘米和根弦的10厘米。主体结构框架也同样组成的spar和偏轻。膜翅的质量是6.9克,和7.1 g的羽毛翅膀的质量;他们在质量是相似的。在扑翼的羽毛就像鸟翼的安排。在两个相邻的羽毛,翼尖附近的一个是下面的,上面的一翼根附近。

3所示。结果与讨论

空气动力性能和相应的两种拍动翅膀的力量测试在不同频率没有风。这个状态对应于实际情况,可以认为是一个盘旋飞行状态,属于一种特殊的扑翼飞行包线的状态。这个实验的目的是为了测试他们的基本性能比较。每个实验三次,记录和分析了三个数据的平均值。拍动幅度为61.0度从上到下。

的平均升力、推力和消耗功率随的两个翅膀拍动频率图所示3。

电梯和推力测量部队的两个组件。模型安装水平。根据传统的定义,在垂直方向的力叫做电梯,并在水平方向上的力称为推力。事实上,两者的合力是向量扑翼产生的力量。在这无风的情况下,没有流引起的气动升力,因此,测量产生的力量完全拍动翅膀。一个飞行器可以合力大于重力时徘徊。

实验中使用的电源是电力,这是由电流乘以电压。的权力实际上是被整个系统,包括机制和马达。考虑到能耗相关的机制和电动机也是翼载荷和机制和电机试验系统的一部分,也用于分析最后总功率。

由于chord-wise曲面的两个翅膀,拍打翅膀产生纯正面提升对于对称拍打运动。然而,羽毛翅膀比膜产生更大的升力翼尤其是拍动频率大于4赫兹如图3(一个)。生成的手臂两个翅膀几乎是相同的,而随着扑动频率的增加而增加。同时,羽毛翅膀的消耗功率小于膜的翅膀。

周期性曲线的升力、推力和消耗功率在拍动周期在7赫兹频率如图4。实验系统的采样率是每秒2000点,所以结果似乎是连续的。

升程曲线的周期,羽毛的升力翼小于膜翼向下的过程中,但在一击过程相反。在整个扑期间,增加的数量大于下降的,所以总升力增加的羽毛翅膀。羽毛翅膀的波动范围很小,膜的翅膀。

推力曲线,羽毛翅膀的推力小于膜翼向下的过程中,但在一击过程相反。然而,在整个期间,增加和减少的数量几乎是相同的。

消耗功率曲线,羽毛翅膀的力量小于膜翅的在整个拍动周期;这主要是因为电梯羽毛翅膀的波动范围小,以降低功耗。

整个过程用高速摄像机拍摄。两个翅膀,可以观察到明显的变形在整个扑的过程。的最大变形和发生同样的时间。两翼之间的主要区别是发生在一击;之间存在着明显的差距发生相邻的羽毛,羽毛翅膀如图5。这种行为大大减少了负升力的一击过程;这也是羽毛翅膀的秘密来产生更大的升力。

照片,后缘变形的羽毛翅膀有点大于膜的翅膀,因为羽毛非常薄的后缘及其刚度连续变化。这个特性使得升降波动的范围少,这是一个人造材料不能做的事情。这是电梯下降幅度导致减少消耗功率。

考虑惯性力的影响,测量机翼骨架的功耗。我们做了以上两个拍动翅膀的翼骷髅测试。羽毛翅膀的框架是通过削减双方的羽毛,只保留中间的轴的每一根羽毛。

纯气动力的骨架非常小,可以忽略。能源消耗的骨架扑被认为是能源消耗的惯性力。机翼骨架的能耗不同频率图所示6。随着频率的增加,惯性力消费的比例逐渐减少。原因可能是随着频率的增加,空气动力变得越来越占主导地位。的功耗翼骷髅接近对方。由于惯性力消耗太多的权力,应该扑翼轻质和高强度材料减少惯性力消费。

由于翅膀的一个布局研究的局限性,我们还设计和生产不同的扑翼的布局比较,如图7。与上面描述的翅膀,这个新的布局增加机翼后缘的外部区域,在拍打运动可以产生更大的推力。这两种布局有相同的根弦长和跨度。这种布局也有近似重量的翅膀,羽毛翅膀的质量是7.9 g和膜翅7.7 g。

在相同的实验参数,测试结果的新布局如图8。可以看出,结果类似于前布局,这是羽毛扑翼的气动性能优于膜扑翼。在实验期间,也可以观察到,羽毛扑翼将羽毛在一击之间的差距的影响过程,类似于图中的现象5。

这项研究的结果是按照“软百叶帘效应”(17,18自然的鸟儿在一定程度上。它说明了大自然的奇迹。羽毛的杰出的表现值得进一步研究,羽毛适合改善人工飞行器的性能。

因为我们没有获得最优气动布局的两种类型的拍打翅膀,本文并不研究最佳的羽毛翅膀和最优膜翅。因为两种之间的不同机制拍打翅膀,也许,最优羽毛翼布局不符合最优膜翼布局。然而,通过本文的研究,在某种程度上,它可以解释说,在同样的布局,羽毛翅膀有更好的空气动力学性能和动力特性的膜。

4所示。结论

扑翼的空气动力学被羽毛覆盖设计和实验测试。在扑翼的羽毛就像鸟儿的翅膀的安排。在两个相邻的羽毛,翼尖附近的一个是下面的,上面的一翼根附近。因为羽毛是相互独立的,会有差距的两个相邻羽毛当气动压力达到一定程度。

的翅膀拍打在翼根附近地区的翼尖已经大范围运动和相应的气动压力比翼根附近的区域,导致更大的翼尖附近的变形。

向下的过程中,安排的方式使得整个机翼表面。然而,在上行过程中,出现羽毛之间会有差距,让空气通过和相应减少一击期间产生的负升力,从而导致整个平均升力增加拍动周期。同时,升程曲线在一个周期的波动范围减少,也降低了消耗功率。

根据实验的结果,生成的手臂有羽毛的翅膀和膜翅几乎是相同的。他们会随着扑动频率的增加而增大。这一现象表明,推力主要拍动频率有关。

相反的情况相同的推力,羽毛翅膀可以产生更大的升力和消耗更少的能量;这意味着羽毛翅膀能飞的飞机更容易,长耐力。由于更大的升力,攻角可以减少在巡航阶段,并相应减少了阻力;的能耗进一步降低。

羽毛翅膀也有一个缺点。因为一双翅膀的羽毛并不相同的鹅,但从市场买的,他们有可怜的对称。一对翅膀,它需要仔细挑选,有几乎同样的两个羽毛。同时,手工生产的过程也带来了一定的误差。

本文的结果表明,天然羽毛优于人工膜。禽类的羽毛是容易获得和廉价使用改善FMAV的性能。它还提高FMAV的外观和看起来更像一只鸟在空中飞。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(拨款11402208和U1613227)。

引用

1. w·Shyy m . Berg, d . Ljungqvist“生物和微型飞行器和灵活的翅膀拍打,“航空航天科学进展,35卷,不。5,455 - 505年,1999页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 田中h, h·冈田克也、y Shimasue和h . Liu“灵活和自组织microwrinkles拍动的翅膀,”生物灵感和仿生学,10卷,不。4、第046005条,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. s . Heathcote z王,i Gursul”知识的灵活性对扑翼推进的影响,”流体和结构》杂志上,24卷,不。2、183 - 199年,2008页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. p .刘和守”,推进性能与高空振荡推进器灵活性。”《皇家学会学报:数学、物理和工程科学,卷453,不。1963年,第1770 - 1763页,1997年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 丹尼m . Keennon k·克林格比尔做,h ., a . Andriukov”发展纳米蜂鸟:采用扑翼微飞行器”包括新视野论坛张仁第50航天科学会议和航空航天博览会张仁,田纳西州的纳什维尔,2012年,张仁Inc ., 2012 - 0588。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. 埃斯林根Festo.com[网络];http://www.festo.com/group/en/cms/10224.htm。
7. l .杨b . Esakki钱德拉塞卡,k .挂和c Cheng”实际拍打20 cm-span微型飞行器,机制”国际期刊的微型飞行器,7卷,不。2、181 - 202年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. h . v .表象、t·康和h . c .公园”设计和稳定飞行21 g无尾的像昆虫扑翼微飞行器与角速率反馈控制,”生物灵感和仿生学,12卷,不。3,第036006条,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. g·c·h·e·德轻哼,k . m . e . de Clercq r . Ruijsink b . rem和c . de Wagter”设计、空气动力学和细致的控制,建立“国际期刊的微型飞行器,1卷,不。2、71 - 97年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. j·w·格迪斯,s·k·古普塔和s A·威尔克森”回顾bird-inspired扑翼微型飞行器设计,“机制和机器人技术杂志》上,4卷,不。2、第021003条,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 埃斯林根,Festo.com(互联网)https://www.festo.com/group/en/cms/10238.htm。
12. s . p .理智的“昆虫飞行的空气动力学,”实验生物学杂志》上,卷206,不。23日,第4208 - 4191页,2003年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. s·m·沃克,a·l·r·托马斯·g·k·泰勒,“可变形翼在自由飞行花虻运动学,”《英国皇家学会界面,7卷,不。42岁,131 - 142年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. l .赵问:黄、邓x和s . p .理智的“空气动力的影响灵活地拍动翅膀,”《英国皇家学会界面,7卷,不。44岁,485 - 497年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. r·伍”,支持和可变形性昆虫翅膀。”动物学杂志》,卷193,不。4、447 - 468年,1981页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. c . j . Pennycuick模拟飞行的鸟美国奥兰多,学术出版社,2008年。
17. b·w·托巴尔斯克”生物力学和生理学步态选择的飞鸟,“生理生化动物学,卷73,不。6,736 - 750年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. 美国m . Norberg“悬停飞行在斑驳的捕蝇器(Ficedula hypoleuca),”游泳和飞翔c·j·布罗考,t . y . Wu, c . Brennen Eds。,卷。2,pp. 869–881, Springer US, New York, NY, USA, 1975.视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2017 Wenqing杨和共处的歌。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。