微型压电扑旋翼动态特性及气动弹性耦合的增效机理研究

The bionics-based flapping wing rotor (FWR) concept is one of the most potential research directions for developing micro aerial vehicles (MAV) of high efficiency and maneuverability. In the current study of piezoelectric FWR MAV, there are number of challenges especially the lack of flapping amplitude and aerodynamic lifting force, unclear influence of dynamic characteristics on the performance, and uncertainty of the aerodynamic efficiency and flapping motion kinematics. To meet those challenges, we propose to carry out a systematic study starting from piezoelectric （PZT）actuation and mechanical amplification to the whole FWR system. The structural and aeroelastic model of the PZT FWR system and its electro-mechanical and aerodynamic efficiency analysis models will be established and validated by experiment. Investigation will include the effect of the FWR system key parameters including the actuation exciting force type, wing structure layout, modal behavior and the unsteady aerodynamic force on the FWR dynamic characteristics, response and motion kinematics. Effort will be made to disclose the mechanism of efficiency enhancement due to FWR aeroelastic effect. The research will provide theoretical base and analytical models to maximize the system efficiency, and determine the desirable motion kinematics and key parameters for an optimum PZT FWR system. It will also provide the methods for increasing the system efficiency by making best use of the aeroelastic effect. The proposed research will explore the mechanism and analysis methods for developing high efficiency and high performance MAV.

基于仿生概念的扑旋翼研究是发展高效高机动性微型飞行器极有前景的方向之一。本项目针对目前压电扑旋翼研究中存在的扑动幅度和气动力不足、动态特性的影响以及气动效率和高效扑翼运动模式不明确的问题，拟层层递进地开展从压电放大机构到扑旋翼系统的研究。建立并基于实验结果完善研究对象的动力学模型以及电-机和气动效率分析模型，明确系统的关键特征参数包括压电激振形式、翼结构布局与振动模态以及非定常气动特性对扑旋翼动态特性、响应运动模式和幅值的影响，揭示气动弹性耦合效应对扑旋翼增效作用的机理。为确定压电扑旋翼最优运动模式及相应的系统特征参数并有效利用气动弹性效应提高系统效率提供理论依据和分析模型，为发展高效微型飞行器探索有效分析方法和系统模型。

仿生概念的扑旋翼（FWR）具有高效高机动的特点，为研发微型飞行器（MAV）提供了一个不同于传统仿生扑翼的设计方案。但目前扑旋翼研究中，尤其是采用压电驱动仍面临几个关键问题亟待解决,主要包括扑动幅度和气动力不足、动态特性的影响以及产生最大气动升力和效率的扑旋翼运动模式不明确等问题。本课题开展了从压电放大机构到扑旋翼系统的研究，提出了弹性铰-杆放大机构，提出了扑旋翼的结构布局的优化方法，明确了对应最大气动升力和效率的扑旋翼运动模式，揭示了扑旋翼气动升力和效率与用于分析传统仿生扑翼推进效率的St-数之间的关系，最终实现了仿生领域首个微型扑旋翼飞行器的无控飞行，证明了FWR MAV的可行性及良好的应用前景。具体研究内容与主要成果为：（1）基于对弹性铰和多杆放大机构的研究，提出了适用于压电驱动微型扑旋翼的共轴弹性铰-杆放大机构，确定了这类机构的特征参数与动态特性和输出参数的关系,获得了压电驱动到扑旋翼前端的10倍放大倍率，并针对这类机构进行了构型优化和动力学特性分析。（2）对现有的梁-膜构型的扑翼结构进行了改进，采用两种拓扑方法对仿生扑旋翼结构进行优化，获得了重量小、刚度分布最优的网格型类昆虫翅的结构。（3）对目前常用于扑翼的气动力分析方法进行了拓展，使该方法适用于扑旋翼的非定常气动力计算。基于该方法确定了扑旋翼最优拍动模式，计算结果表明扑旋翼的气动效率高于传统扑翼，却略低于传统旋翼，但其产生的最大平均升力系数明显大于传统扑翼和旋翼，这对于实现MAV的高机动性具有明显优势。明确了St-系数对于扑旋翼的适用性和局限性。（4）基于分析模型制作了微型扑旋翼模型并设计试验，发展了适用于微型扑旋翼动态特性和气动特性研究的试验测试方法，并基于试验数据对所建立的理论和数值分析模型进行了验证。最终实现了新型微型扑旋翼飞行器的首飞。本项目的实施推动了FWR研究的实用化进程，为下一阶段以其为对象开展进一步深入研究与实现可控飞行提供了良好的理论分析与试验基础。