微型扑旋翼飞行器设计与试验

作     者：苏醒 

作者单位：北京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：贺媛媛

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 082503[工学-航空宇航制造工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：微型扑旋翼飞行器 直线电机 驱动机构 机翼优化 升力试验 弹性铰翼 

摘      要：微型飞行器因其高机动性和优秀的隐蔽性在人员搜救和情报侦查等领域具有其他飞行器不可替代的优势,因此微型飞行器已成为飞行器设计领域研究热点。微型扑旋翼飞行器作为一种特殊的微型飞行器,由于其机翼的运动是翼扑动和翼旋转的组合运动,可以实现垂直起飞或空中悬停,是发展高效高机动微型飞行器极有前景的方向之一。本文基于扑旋翼飞行器高效高升力的优势,结合直线驱动机构简单且机械效率高的特性,设计了一种适用于扑旋翼飞行器的直线电机驱动机构。针对传统平板翼升力表现不佳的问题,提出了两种新型机翼构型并进行实物试验。论文的具体工作如下:(1)总结了微型飞行器的发展现状以及趋势。着重调研扑翼飞行器的驱动技术与直线驱动技术,并对微型扑旋翼飞行器的发展现状进行了总结与论述。(2)基于对现有微型扑旋翼飞行器驱动方案的对比研究,设计了一种以直线电机为动力输出的驱动机构,建立了直线电机驱动机构动力学模型并进行了虚拟样机仿真。仿真结果与实物试验数据的对比表明:该直线电机驱动机构的输出满足设计要求。(3)对昆虫和鸟类的飞行机制进行研究,并根据仿生学尺度率公式对传统平板翼进行初步设计;以平板翼的一阶弯曲频率与一阶扭转频率之差最小为目标对平板翼进行结构优化设计;基于对新型机翼的调研,提出了弹性铰翼和弓形翼两种新型机翼构型方案。(4)分别制作了平板翼、弹性铰翼、弓形翼和直线电机驱动机构的实物样机,并搭建了能够同步记录扑旋翼运动图像的扑旋翼升力测试系统;采用该测试系统进行了三种机翼的升力试验,并对安装了平板翼和弹性铰翼的两种扑旋翼飞行器整机分别进行了气动力和惯性力试验;采用面元法对两种机翼的气动力进行了计算,理论计算值与试验结果误差不超过10%。研究表明弹性铰翼具有低频高升力特性,更适合扑旋翼飞行器在复杂环境下进行载重低速飞行。