翼面上反角对鸟类滑翔状态横航向动稳定性影响机理研究

There is no sufficient explanation with quantitative calculation of the flight principle for the gliding birds that how they can achieve lateral-directional stability without any vertical stabilizer. In the influence of various elements on the flight stability, the study for the dihedral angle is the rarest. In this study, we introduce the flight dynamics of the flying wing aircraft and apply it to the explanation of the bird flight principle, because the flying wings have similar shape with the gliding birds. After aerodynamic analysis and accurate calculation of inertia, the influence of the dihedral angle on the dynamic stability for the birds’ glide motions will be quantitatively calculated in this study, which on the basis of solving the eigenvalue of the linearized small disturbance equations for lateral-directional motion. The general criterion about the influence of the dihedral angle to the lateral-directional gliding stability will summarize, which basis on the three study case from the birds with different size as well as good at gliding. Finally, a large bird will be selected as a bionic object for the building of a full scale flight testbed. The theory in this study will be validated with the data from flight test.

国内外学界目前尚未对鸟类滑翔状态下无垂直安定面却能保持横航向稳定的飞行原理提出完善且具备定量分析的解释。在各项外形要素对飞行稳定性影响中，上反角要素相关研究最为匮乏。本研究通过借鉴与鸟类滑翔状态外形相似的飞翼布局飞机飞行力学研究方法，将其应用于鸟类飞行原理研究。在进行气动力分析、惯量精确计算的基础上，采用求解横航向小扰动方程特征根的方法，就翼面上反角对鸟类滑翔横航向动稳定性影响进行定量分析研究。从善于滑翔的鸟类中选取大中小三种进行计算分析，在其基础上总结出上反角对滑翔横航向动稳定性影响的一般性结论。最后选取一种大型鸟类作为仿生对象，设计制造1:1飞行验证机进行试飞验证，证明理论计算结果的正确性。

针对滑翔鸟类没有垂直安定面却能保持横航向稳定的问题，学界尚没有完备的解释。本课题研究了滑翔鸟类横航向运动的稳定机理，定量分析上反角这一要素对鸟类滑翔横航向运动稳定性的影响，并组织飞行试验对理论分析结果进行验证。.首先，课题组建立了基于涡格法的鸟类滑翔状态气动力计算模型，对其计算结果准确度进行了验证。课题组搭建了基于状态矩阵特征根求解的横航向稳定性分析模型，参考有人驾驶飞行器飞行品质建立了鸟类滑翔运动模态稳定性的评价标准。.其次，课题组建立了军舰鸟、游隼、雨燕三种不同尺寸鸟类的滑翔状态外形模型，参考相关资料建立了三种鸟类各主要器官的质量模型，计算获得了鸟类模型的惯量数据。改变鸟类模型各个翼段上反角，定量分析展向上反角分布的变化对于鸟类横航向运动模态特性的影响。分析不同速度下滑翔鸟类各翼段最优上反角的分布规律。分析鸟类模型滑翔速度变化、惯量质量变化对于横航向稳定性的影响。.最后，基于滑翔军舰鸟的外形模型，设计制造了仿生验证机。组织飞行试验，针对实验反馈调整验证机设计方案以及实验方法。在稳定滑翔段进行副翼倍脉冲输入以激发验证机的荷兰滚模态，通过飞行参数辨识得到验证机荷兰滚模态参数，并将其与理论分析结果进行对比，初步验证证了理论分析结果的正确性。.本研究有助于加深对于滑翔鸟类飞行原理的理解，完善飞行器尤其是飞翼布局飞行器设计理论，为未来仿生飞行器设计提供技术支撑。