（飞行器设计专业论文）微型飞行器mav250总体设计及其腹部着陆动力仿真.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 微型飞行器是一种融m 日腮技术等多种技术于一体的集成化智能微系统。微型 飞行器不是常规飞行器的简单小型化，需要提出和发展许多不同于传统飞行器设计 的新概念。作为微型飞行器技术中蕴涵的重要科学问题之一，微型飞行器总体设计 研究将为发展微型飞行器设计的新理念奠定科学的基础，而显式有限元动力仿真技 术是微型飞行器发展的重要辅助手段。 本文介绍了微型飞行器姒v _ 2 5 0 以及其改型机的总体设计制作的全过程。采用 的设计方法是传统的飞机经验估算、商业软件以及风洞实验、外场试飞相结合的研 究方法。设计制造以及试飞过程如下：1 ) 利用风洞对1 5 种常用微型飞机的布局形式 进行吹风实验，由实验结果确定飞机的总体布局方案；2 ) 采用d e s l g n f o i l 软件对 翼型的升阻特性进行计算，并选出合适的翼型；3 ) 结合设计任务目标，采用传统的 经验公式，计算出飞机的各个几何参数；4 ) 结合风洞实验结果，对微型飞机的气动 特性、稳定性进行分析；5 ) 结合风洞实验和外场试飞情况，进行飞行品质评价。最 后，成功设计出最大尺寸为2 5 0 ，以侦察为任务目标的m a v - 2 5 0 固定翼微型飞行器， 并结合柔性翼微型飞行器的柔性翼理论，推出微型飞机m v - 2 5 0 的改型设计。 考虑到微型飞机在腹部着陆时飞机结构或机载设备损坏问题，本文对飞机腹部 着陆碰撞过程进行显式有限元动力仿真。综合大型软件u g 、 n s y s 和p a m - c r a s h 软 件，建立微型飞机m a v - 2 5 0 几何模型并划分单元；结合仿真结果，对飞机吸能能力 进行评估，并提出改进措施。 关键字：微型飞机总体设计风洞实验显式有限元碰撞接触动力仿真 a b s t r a c t m a r s ( m i c r oa i rv e h i c l e s ) i sak i n do fi n t e g l - a t e di n t e u i g e n t m i c r os y s t e m i n v o l v i n gm e m s ( m i e r o - e l e e l z o - m e e h a n i e a ls y s t e m s ) a n dm a n yo t h e rt e c h n o l o g i e s m a v si sn o tas i m p l i 丘e dm i n i a t u r eo f c o n v e n t i o n a la i rv e h i c l e i ti sn e s s a r yt od e v e l o p al a r g em m a b e ro f n e wc o n c e p t i o n sf o rt h ed e s i g no f m a v s a i r e r a t tc o n c e p t u a ld e s i g ni s o n eo f t h eb a s i cs e i e n l i t i cp r i n c i p l e st od e v e l o pt h en e w g e n e r a t i o nm a v ，a n dt h ee x p l i c i t f i n i t ee l e m e n tk i l l e t i c $ s i m u l 址i o nt e c h n i q u ei so n eo f t h ei n l p o l 咖ta s s i s t a n tt e c h n o l o g i e s t od e v e l o pt h em a v s t h ed e s i g na n di m m a f a e m r eo f m i c r oa i r e r a t tm a v - 2 5 0a n di t si m p r o v e da i r e r a t tl l r e p r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ea i r c r a f td e s i g nm e t h o d s f i l ei r a d i d o n a le v a l u a t i o n , s o t t w a r e d c s i 掣i i n 吕w i n dt u n n e le x p e l j i n e n t ，a n df l i g h t - t e s t t h e w o f k si n c l u d e ：1 ) t h e i n v e s t i g a l i o no f1 5k i n d so f w i n g - p l 趾c o n f i g u r a t i o n s 锄c a r r i e do u ti nt h em a v w t ( t h e w i n dt u n n e l o n l yu s e df o rm a v s ) t h er e s u l t s 躺a n a l y z 烈lt o c h o o s et h eb e s t c o n f i g u r a t i o n ；2 ) t h ea 枷y m m i ec h a r a c t e r i s t i c so f s e v e r a la i r f o i l s 弧c a l c u l a t e du s i n g t h es o 羝, v a i ed e s i g n f o i lt oc h o o s ef i l la p p r o p r i a t eo n e ；3 ) , e c o r a i n gt ot h ea i r e r a t ld e s i g n a i m , t h eb a s i cg e o m e t r i c a lp a z a m e t e r so f m a v s 戤c a l c u l a t e dw i t ht r a d i t i o n a le v a l u a t i o n t oc h o o s e t h ee l e c t r i cc , o n l p o n e n t $ f o r t h e m a v s ；4 ) t h e a e r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sa n d s t a b i l i z a t i o nf o rm a v sa 地e v a l u a t e dw i t ht h er e s u l t so f w i n dt u n n e le x p e f i m e 啦；5 ) t h e f l i g h tq u a l i t yi se v a l u a t e dw i t hr e s u l t so f w i n dt u n n e le x p e r i m e n ta n df l i g h t - t e s tt h e n t h e f i x e d - w i n gm i c r oa i r e r a t tm a v - 2 5 0 ，w i t h t h el i m i t e dd i m e n s i o n s2 5 0 m ma n dt h ea b i l i t y o f m m ：n 吕i sd c 确蛔s u c c e s s f u l l y a tl a s t , a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo ff l e x i b l e - w i n g a i r e r 峨t h ei m p r o v e dm a v - 2 5 0w i t hf l e x i b l e - w i n g0 1 1a i g l a tq u a l i t yi sm a n t t 盘m u r e d i na g e n e r a lw a y 9t h em a v - 2 5 0 l a n d sw i t h o u tl a n c t i n gg e a r , s ot h ec o n 丘g u r a t i o n sa n d t h ee l e e l r i ec o m p o n e n t so fm a v s 勰a l w a y sd e s t r o y e d t h ee x p l i c i tf i n i t ee l e m e n t l d n 甜c ss i m u l a t i o nt e e l m i q u ei su s e dt os i m u l a t et h ep r o c e s so fh l d i l l go ft h em a v s u s i n gt h es o t t w l a - eu g , a n s y sa n di a m - c r a s h , t h em a v - 2 5 0 sg e o m e t r i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e da n dm e s h e d ；w i t hr 嚣- u l t so ft h ek i n e t i c ss i m u l a t i o n , m a v - 2 5 0 sa b i l i t yo f e n e r g ya b s o r b e di se v a l u a t e d , a n dt h ei m p r o v e dd e s i g ni sg i v e 札 k e y w o r d s ：m i c r oa i rv e h i c l e s ( m a v s ) ；a i r c r a f td e s i g n ；w i n dt u n n e le x p e f i m c n g e x p l i c i tf i n i t ee l e m e n t ；c r a s h w o r t h i n e s s ；c o n t a c t ；k i n e t i c ss i m u l a t i o n h i 西北工业大学硕士学位论文知识产权声明书和原创性声明 知识产权声明书和原创性声明 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作 的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北： 业 大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 婶弓月叫臼 指导教师签名 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：选! 坌蔓! 呻年弓月王1 日 1 1 引言 第一章绪论 自1 9 0 3 年莱特兄弟( 兄：w i l b u rw r i g h t ，1 8 6 7 - 1 9 1 2 ；弟：o r v i l l ew r i g h t ， 1 8 7 1 1 9 4 8 ) 成功地进行了人类历史上的首次动力载人飞行以来，航空器的大型化和 高速化一直是航空领域的一个发展趋势。从d c 一3 到b o e i n 9 7 4 7 、至u c o n c o r d e ( 协和号) ， 用尽可能短的时间来运送尽可能多的货物，始终是航空工程师们努力追求的目标之 一但是，进入= 十世纪九十年代，随着微电子和m e m s 等技术的飞速发展，飞行器 的设计又开始出现种向小型化、微型化发展的新趋势。由于微型化的飞行器在 众多领域中具有不可估量的应用潜力，因此许多世界发达国家已经开始将微型飞行 器技术列为研究的重点。 对于微型飞行器，由于其特征尺度已远小于传统的飞行器，许多传统的飞行器 设计理论和方法将不再适用，飞行器的微型化将面临诸多的来自科学和技术上的挑 战。 正如同探索机械飞行的初期，航空先驱者们通过对自然界飞行生物的有意识或 无意识地观察、模仿和实验，不断地获得来自飞行生物的启迪，有力地推动了机械 飞行器的发展。同样，面对飞行器的微型化所带来的挑战，对早已被自然界优化出 的智能微型飞行器一昆虫及小型飞鸟等的研究，也将会给予正在为设计微型飞行 器而冥思苦想的工程师们以有益的启示。事实上，早在1 5 0 5 年，达芬奇就在他的 研究手稿论鸟的飞行中，对鸟的起飞、降落、扑翼飞行、转弯、滑翔、升力和 阻力的产生等进行了观察和研究，并且给出了很多合理的解释暖4 。 第一章绪论 1 2 微型飞行器的研究概况 i 2 1 微型飞行器的由来 微型飞行器( m a v s ) 的概念最早出现于1 9 9 2 年美国国防高级研究计划局根p a ) 在兰德公司( r a n d ) 举办的一个关于未来军事技术的研讨会。该公司出版的研究报告 认为，携有微小传感器、尺寸极小的侦察飞行器的设想是可以实现的，发展尺度位 于昆虫量级的微型飞行系统对美国在未来保持军事领先具有重要意义m 。美国军事 专家认为，微型飞行器将会改变未来的战争模式。在此后的两年，麻省理工学院( m i t ) 的林肯实验室( l i n c o l nl a b o r a t o r y ) 和美国海军研究实验室( n r l ) 对微型飞行器技 术上的可行性进行了更为深入的评估匾”，他们的研究小组得出了与兰德公司一致的 结论，即发展微型飞行侦察系统具有技术可行性。同时，林肯实验室的工程师们提 出了他们的一种微型飞行器的概念设计。 林肯实验室的研究结果促使d a r p a 在1 9 9 5 年秋季召开了关于微型飞行器可行性 的专题讨论会。此次会议得出了肯定性的结论。d a r p a 也由此而制定了项旨在发展 微型飞行器的计划。1 9 9 6 年3 月，d a r p a 向美国工业界作了简要介绍并于同年1 0 月 举办了用户和研究单位之间有关这一问题的讨论会。经过这一系列研讨会，专家们 认为微型飞行器系统应该具有以下特点：一、应是适合军用的系统；二、能携带全 天候的近距离成像系统，分辨率应足以使操作人员分辨出发送区内的重要细节；三、 应具有准确确定地理位置的能力；四、重量轻、坚固耐用，以便能够放在士兵的背 包里携带；五、价格低廉，甚至可一次性使用；六、隐蔽性好，不易被敌人发现， 不应暴露使用人员的位置。同时，专家们认为在未来三年内可以实现的微型飞行器 的总体参数为：特征尺寸( 机身长度或翼展) 6 1 5 厘米，重量1 0 1 0 0 克，有效载荷 1 1 8 克，巡航速度3 0 6 0 公里小时，续航时间2 0 - - 6 0 分钟，最大航程为l 1 0 公里； 微型飞行器采用固定翼布局而非扑翼布局。 前期进行的几轮富有成效的研讨会使d a r p a 意识到开展微型飞行器技术研究的 重要性以及研制生产微型飞行器的现实可行性。1 9 9 7 年起，d a r p a 通过s b i r 项目开 2 西北工业大学硕士学位论文 始增加投资，加大对微型飞行器技术的研究力度。1 9 9 7 财政年度，d a r p a 向工业界 和学术界进行项目招标，开始实施一项耗资3 5 0 0 万美元、为期四年的微型飞行器研 究计划。参与竞标的单位包括美国国内众多大学的研究实验室，航空航天业界的公 司以及其它一些小型企业。 微型飞行器概念经美国提出，便立即引起世界上许多国家的广泛关注，如澳 大利亚、俄罗斯、印度、以色列等。他们纷纷成立专门研究机构、投入研究经费， 开始微型飞行器及其相关技术的研究。 1 乞2 微型飞行器的基本特征和应用前景 正如同许多高新技术的产生和发展首先是出于军事战略的需要，微型飞行器技 术亦不例外。d a r p a 最初考虑此项技术正是源于军事目的，以期美国能在未来的军事 行动中具有领先的高技术。海湾战争和科索沃军事行动再一次展示了高科技在现代 军事行动中的威力，这使得d a r p a 更加重视包括微型飞行器技术在内的军事高科技的 研究。 从d a r p a 提出的要求看，微型飞行器应具有自主飞行、携带任务载荷执行特定 任务、通信及传输信息等基本特征。与常规无人飞行器相比，由于微型飞行器具有 体积小、隐蔽性好、重量轻、成本低、功能强、携带方便、操作简单等突出特点， 因此无论是在军事领域还是在民用领域，它都有十分诱人的应用前景。 在军事领域，微型飞行器主要有以下几方面的应用前景：首先，微型飞行器可 用于低空或近距离的侦察和监视。这也是研制它的最重要的目的之一。载有全天候 图像传感器的微型飞行器可以从5 0 l o o 米的高度，甚至更近的距离对目标实施侦察 监视。尤其是对卫星和军用侦察机触及不到的盲区或人员无法涉足的地区进行侦察。 同时可以被部署到适当的位置，作为固定而隐蔽的地面传感器实时传送侦察信息。 其次，微型飞行器能够承担通信中继、电子干扰和对地攻击等任务。虽然单架微型 飞行器的干扰信号很小，但当大量的此类飞机接近敌方雷达天线作用区时，可达到 有效的干扰效果。如果携带高效能弹药，那么它们可用于对地攻击，破坏敌方雷达 系统和通信中枢。此外，微型无人机还可用于目标指示、核武器和生化武器的探测 3 第一章绪论 等。特别地，由于微型无人机能够在城市建筑物群中以缓慢的速度飞行，可飞抵、 甚至停留在建筑物内进行侦察，探测和查找建筑物内部的敌方人员或恐怖分子，因 此，它在未来的城区战场和反恐军事行动中具有极为广阔的应用前景嘲。在民用领 域，微型飞行器除了可用于通信中继、环境监测、灾情的监测等，还可用于交通道 路监控、边境巡逻与控制、毒品禁运、农业勘测、大型牧场巡逻、城区监视、航空 摄影等慨唧。可以看到，微型飞行器技术作为又一种拓展侦测能力的技术，它将是 一项具有良好发展前途和广阔应用前景的高科技含量的新技术。 自二十世纪九十年代微型飞行器的概念出现以来，微型飞行器及其相关技术的 研究取得了不小的进展。尤其是在美国，由于d a r p a 、n a s a 以及军方等的大力资助， 许多大学、研究机构和公司开始重点发展微型飞行器及其相关技术。 一、美国微型飞行器技术的研究现状 目前美国的微型飞行器及其相关技术的研究处于总体领先的水平，其研制的固 定翼布局的微型飞行器所能达到的基本性能参数为：小于1 5 厘米的主尺度、4 0 6 0 公里小时的最大飞行速度、1 0 0 克以下的起飞重量、2 0 克左右的有效载荷、1 0 公里 左右的航程、大于1 公里的飞行高度等“。 按总体布局方案来分，现有的微型飞行器主要可以分为传统的固定翼式布局、 旋翼式布局和仿生扑翼式布局。 采用传统的固定翼式布局的典型微型飞行器主要有美国a e r o v i r o m e n t 公司的 b l a c kw i d o w 、s a n d e r s 公司的m i c r o s t a r 等。 b l a c kw i d o w 是a e r o v i r o n m e n t 公司按照d a r p a 提出的微型飞行器技术要求而 研制出的一种微型飞机“”。翼展1 5 厘米的碟型b l a c kw i d o w 原型机于1 9 9 6 年春完 成了9 秒钟的飞行。1 9 9 7 年1 1 月，未携带有效载荷、飞行重量为4 0 克、采用锂电 池的b l a c kw i d o w 飞行时间达到1 6 分钟。为了进一步提高原型机的性能， a e r o v i r o n m e n t 采用综合设计优化方法( 如o ) 对原型机进行设计改进，发展出第一代 b l a c kw i d o w 。1 9 9 9 年3 月携带黑白摄像机的第一代b l a c kw i d o w 成功地飞行了2 2 4 苎些三垩苎垩塑主兰垡丝查 分钟。此次飞行重量为5 6 克，巡航速度为约4 0 2 公里小时。1 9 9 9 年夏季， a e r o v i r o n m e n t 完成了b l a c kw i d o w 的最终设计。2 0 0 0 年8 月b l a c kw i d o w 试飞的 留空时间达到3 0 分钟，最大活动半径1 8 公里，最大飞行高度约2 3 4 米( 7 6 9 英尺) ， 飞行重量为8 0 克。b l a c kw i d o w 的机载接收机重量为2 克，它的方向舵和升降舵均 由0 5 克重的驱动器控制，摄像采用c m o s 彩色摄像头( 重量1 7 克、分辨率5 1 2 x 4 8 8 、功率1 5 0 毫瓦) ，图像传送装置重i 4 克。整机重量中，推进系统占6 2 9 6 ，结 构占1 7 ，控制系统占9 9 6 ，有效载荷占1 2 。由于b l a c k w i d o w 采用电机驱动方式， 加上尺寸小，距离5 0 米以外便听不到它发出的声音，因此它具有极好的隐蔽性。整 套系统可以放置在一个公文包大小的手提箱内，其中包括微型飞行器、拆卸式发射 架、地面控制与监视用液晶显示器，总重约7 公斤阻埘。美国环境航空公司研制的 圆盘形“黑寡妇”微型飞行器；飞行器全机重仅仅6 0 克，其中动力装置( 电池、电 机、减速器和螺旋桨) 为3 7 克，结构重1 0 克，控制系统重b 克，任务载荷( 摄像 机、传输系统) 重7 克。“黑寡妇”创造了该类飞机的多项世界记录： 续航时间：2 2 r a i n 飞行距离：1 6 k m 巡航速度：1 2 m s 俯冲速度：2 0 m s 图1 1 “黑寡妇”微型飞行器图1 2 “微星”微型飞行器 美国桑得公司研制的“微星”微型飞行器；飞行器翼展为1 5 c m ，起飞重量8 5 克，其中有效载荷1 8 克，动力源4 4 5 克，电力发动机1 3 5 克。它的技术指标 如下： 第一章绪论 巡航速度为：4 8 k m h 飞行距离： 5 6 k m 续航时间为：2 0 r a i n 采用旋翼式布局的微型飞行器主要以美国l u t r o n i x 公司的k o l i b r i 、斯坦福大学 ( s t a n f o r du n i v e r s i t y ) 的m e s i c o p t e r 等为代表。 k o l i b r i 在德语中的意思是蜂鸟，它是= l u t r o n i x 公司和a u b u r n 大学联合研发的 种垂直起降( v t o l ) 旋翼式微型飞行器。该机设计飞行重量约为3 0 0 克。k o l i b r i 的 外型结构设计为圆柱形，其上端装有旋翼，旋翼直径1 0 1 6 厘米( 4 英寸) ，下端内部 装照相机，外部安装了控制翼片。目前，双旋翼型已经进行了三轴稳定性的实验飞 行町。 m e s i c o p t e r 是斯坦福大学i l a nk r o o 和f r i t zp r i n z 教授的研究小组在吣a 的支 持下，为研究微型旋翼飞行器技术而设计的。至2 0 0 0 年底，该研究组已经研制出五 种尺寸的原型机。其中最大的重2 0 0 克，可以携带图形摄像系统、惯性导航系统和飞 行控制系统进行1 5 分钟的飞行。而最小的一种重量仅有3 克，采用4 台直径3 毫米的微 型电动机，分别驱动一副直径为1 5 毫米的微型旋翼。 采用仿生扑翼式布局的微型飞行器主要有 c a l t e c h 的m i c r o b a t 、s r i 的m e n t o r 、 g t r i 的e n t o m o p t e r 等。 m i c r o b a t 是加州理工学院、a e r o v i r o n m e n t 公司和u c l a 蝴究的一种微型扑 翼飞行器。它的翼展约为1 5 厘米( 6 英寸) ，扑翼的频率在每秒2 0 次左右。2 0 0 0 年8 月， 它的最长留空时间到时提高到4 2 秒，而到2 0 0 1 年底则已经提高到6 分1 7 秒。m i c r o b a t 是世界上第种手掌大小的电动扑翼机。 m e n t o r 是s r i 国际公司和多伦多大学合作研究的微型扑翼飞行器。它的最大翼 展在1 5 厘米左右，机翼由一种电致伸缩的聚合物人造肌肉( 删驱动。翼展为3 0 厘 米的实验模型已于2 0 0 0 锄j 造完成，并在2 0 0 1 年1 月成功地进行了系留飞行实验。 e n t o m o p t e r 贝u 是g t r i 以r o b e r tm i c h e l s o n 为首的研究组研发的一种基于r c m 技 术的微型仿生扑翼机。 通常，微型飞行器由若干子系统构成，涉及诸多专项技术，诸如微型电源和动 6 西北工业大学项士学位论文 力技术、弱功率下的信号传输技术、微型飞行控制技术等等，因此这些用于或有可 能用于微型飞行器的技术都已经成为有关研究机构的研究重点。其中研究开展较早 的有麻省理工学院、d _ s t a r 工程公司、t e c h s b u r g 公司、i g r 公司等院校和公司。 九十年代初，麻省理工学院林肯实验室首先将其研制的一种电视摄像芯片应用 到微型飞行器的概念设计上。该芯片被用于微型飞行器上的新型微型摄像机中。微 型摄像机使得微型飞行器具有了实际应用的可能，而此前的摄像机对微型飞行器则 显得过于笨重。1 9 9 5 年起，麻省理工展开了硅基娅峪微型燃气涡轮发动机发电机 的研究。根据设计者的构想，这种装置的微型涡轮只有几美分硬币大小，工作转速 每分钟1 0 0 万转左右。它采用氢做燃料，可以产生约1 1 0 牛顿( 1 0 2 克) 的推力。 康涅狄格州d - s t a r 工程公司正在发展的是一种高功率重量比( 1 马力磅，约合 1 6 瓦克) 、低油耗、具有较好隐身性能的二冲程微型内燃机。t e c h s b u r g 公司为未 来的先进微型飞行器研究的是一种机载热电式( 温差) 发电机( t e g ) 。这种发电机可把 微型飞行器发动机的废热直接转换成可供机载电子设备使用的电能，从而有效提高 微型飞行器的续航时间和执行任务的能力。而俄亥俄州的i g r 公司研发的是一种微型 飞行器专用的重量极轻的一次性固体氧化物燃料电池。这种电池的能量密度将有望 达到普通商用锂电池的六倍，功率密度则可达二倍。 除了匕述主要由d a r p a 、n a s a 以及军方等资助进行微型飞行器技术研究的这些 公司及科研院校外，美国的其他一些大学和研究机构也在积极开展各种微型飞行系 统的技术研究。1 9 9 7 年美国佛罗里达大学( u n i v e r s i t yo ff l o r i d a ) 和亚利桑那州立 大学( a r i z o n as t a t eu n i v e r s i t y ) 联合主办了第一届微型飞行器大赛。此项赛事到 目前已经连续举办了若干届，吸引了美国国内外的许多大学以及美国的一些公司参 加，促进了微型飞行器技术的研究。 二、其他国家微型飞行器技术的研究现状 早在美国提出微型飞行器的概念之前，英国剑桥大学( c a m b r i d g eu n i v e r s i t y ) 以c h a r l e sp e l l i n g t o n 为首的研究小组已经对昆虫飞行的空气动力学进行了多年 的研究。1 9 9 7 年e l l i n g t o n 曾建议并寻求英国d e r a 资助，但未获得成功。与此相反， 美国d a r p a 却对e l l i n g t o n 的研究表现出了兴趣。他们邀请剑桥大学动物学系的 7 第一章绪论 e l l i n g t o n 九人研究小组加盟到g t r i 以r o b e r tm i c h e l s o n 任首席研究工程师的研究 组中，并给予e l l i n g t o n - - 百多万英镑的资助。 德国的i m m 已经研制出了一种直径1 9 毫米、长度5 5 毫米、重量9 1 毫克、最大 转速达1 0 万转分钟的微型电机。 此外，诸如澳大利亚、俄罗斯、印度、以色列等国家都在积极展开微型飞行器 及其相关技术的研究。 目前我们国内的部分高等院校和科研机构已经开展了微型飞行器方面的研究 工作。但与国外相比，我们国内对微型飞行器技术的研究工作还存在着差距。 1 3 微型飞行器中的关键技术 微型飞行器作为一种集成了诸多物理子系统的新型飞行器，涉及到以下几个方 面的关键技术问题： 一、机体结构与机载设备的微型化 微型飞行器在尺寸匕远远小于常规的飞行器，其机体内空间十分有限，因此它 可以携带的机载设备装置和有效载荷受到极大的限制。这些机载设备和装置，如飞 行控制、导航、动力、图像摄取、数据传输设备等，不再像在传统大型飞行器上那 样有较多的安装选择余地。这使得微型飞行器除了本身的机体结构应采用重量轻、 强度高的结构材料来减轻重量外，其它用于机载的各种设备和装置也需要进行最大 程度的微型化，以减轻设备的重量、压缩各自的空间。 随着微型飞行器的尺寸进一步缩小，和固定翼布局的微型飞行器相比，仿生扑 翼布局的微型飞行器在气动方面，优势愈发明显。但是，仿生扑翼的布局给微型飞 行器的结构设计带来了极大的挑战，尤其是在扑翼的结构、材料以及运动机构的微 型化设计方面将面临更多的技术困难。 二、新型高升阻比升力机制 微型飞行器由于尺寸小、速度低，其飞行雷诺数r e 远小于普通的飞行器，由 此对微型飞行器的气动性能带来了不利影响。飞行雷诺数反映了施加在飞行器上的 惯性作用力与粘滞作用力之比。微型飞行器的飞行雷诺数范围一般为1 0 2 1 0 4 ，这 8 苎韭三些垄兰堡主兰竺垒墨 个范围已经与自然界的鸟类及昆虫等的飞行雷诺数范围大体相当。在上述范围的飞 行已属于低r e 数飞行，此时空气粘性的影响越发显著，微型飞行器受到的粘滞力相 对增大。例如，对于最小的飞行昆虫，它们在空气中的飞行就如同在蜂蜜中游泳。 低雷诺数对固定翼微型飞行器性能的影响主要表现为：( 1 ) 升力系数下降导致有效飞 行载荷的相对降低；( 2 ) 阻力系数增大要求更大的飞行动力；( 3 ) 相对容易发生气流 分离降低了机翼的气动性能以及微型飞行器的机动性能。另一方面，对于利用螺旋 桨产生前进驱动力的微型飞行器而言，螺旋桨的推进效率也将随着飞行雷诺数的减 小而降低。然而自然界中飞行的鸟类和昆虫却很好地克服了这些在低雷诺数下飞行 的种种不利因素。 自然界中的飞鸟和飞行昆虫经过历时漫长的自然进化，获得了与它们飞行雷诺 数范围相适应的一套飞行技能。这些出自大自然的“微型智能飞行器”为人工微型 飞行器提供了值得借鉴的空气动力学原理和气动布局设计。对鸟类及昆虫扑翼飞行 的空气动力学原理的研究以及如何运用到微型飞行器的设计中，这又是微型飞行器 技术研究领域的一个关键课题。 三、微型高效动力推进装置 微型动力装置是目前微型飞行器发展所面临的制约因素之一。微型动力装置是 微型飞行器的关键设备，它需要在极小的体积内产生足够的能量并转换为微型飞行 器的驱动力以及维持机载设备工作所需要的电能。如果具备了高性能的微型动力系 统，就可以克服微型飞行器在空气动力方面的许多不足但是研制高功率密度和高 能量密度的微型动力装置和微型动力源同样面临着十分突出的技术困难。 目前在研发中的微型动力装置种类较多。有微型燃料发动机，如微型火箭发动 机、微型脉动式喷气发动机、微型涡轮发动机、微型内燃机等，也有微型电动机。 微电机的常用电源有电池，如镍铬电池、镍氢电池、锂电池、固态氧化物燃料电池。 此外还有采用r c m 驱动的动力装置。用于微型飞行器的动力装置主要有两类：采用 锂或氢氧燃料电池的微电动机和微型涡轮喷气发动机。新一代微动力装置可达到的 典型参数为：涡轮直径8 毫米，叶片0 2 毫米，推力0 1 5 牛顿，重量2 0 克，燃料消耗 每小时2 5 克。微动力装置将采用基于硅材料的m e m s 技术制造。 9 第一章绪论 四、微功率下的飞行控制和数据通信系统 微型飞行器要求具备相当程度的自主飞行能力，这需要依靠它的飞行控制系统 来保证。微型飞行器的飞行控制技术是微型飞行器研制中又一个技术难点。一方面， 由于微型飞行器在空中的飞行活动许多时候面临湍流或阵风的干扰，因此需要通过 自身的飞行控制系统来保证其稳定的飞行姿态和正确的航线。另一方面，微型飞行 器需要在一定条件下，通过飞行控制系统来执行地面控制人员发出的机动指令。而 采用仿生布局的微型飞行器的飞行控制，将是微型飞行器飞行控制技术中一个更为 复杂的难题。 微型飞行器在进行自主飞行的同时，需要与地面控制站进行飞行和控制信息的 实时传递以及视频、音频等数据的传输。微型飞行器上用于数据或信息传输的无线 电设备需要消耗一定的电能，以保证信号有足够的传输距离。但随着微型飞行器尺 寸的缩小，其动力源可提供的功率受到极大地限制。因此，在设法提供更高功率的 机载动力源的同时，如何提供功耗更低、效率更高的数据通信系统也是微型飞行器 发展所面临的一个问题。 研究微型飞行器飞行机制，需要认识属于仿生流体力学范畴的推进机理和超升 力现象。通过对蝇、蜂、小鸟等飞行动物在典型飞行状态下( 如急停、跃升、快速转 弯、悬停和前飞等) 进行翼翅挥拍运动的气动力和流动特性的研究，考察基于给定的 翼翅运动参数( 如频率、幅度以及攻角变化等) 的非定常气动力及流动结构( 流场、尾 迹、分离等) ，研究超常升力的产生机理，研究低r e 数下扑翼飞行的精细实验和新式 气动布局，发展微型飞行器气动布局新概念。 从微型飞行器所涉及的诸多科学问题中，不难发现微系统力学的研究对微型飞 行器发展的重要性。正如近代应用力学的奠基性发展孕育出了二十世纪航空、航天 事业的腾飞，微系统力学作为一门涉及微尺度力学、微电子学、物理学、自动控制、 精密机械学、摩擦学等等的交叉学科，作为微型飞行器中的重要科学问题之一，它 的研究和发展必将有力地推动微型飞行器技术的进步。 l o 冲击碰撞问题在生活中很普遍的，而最受人们关注的碰撞，如交通事故中汽车、 列车碰撞，船舶之间互撞的以及飞机的坠落等，经常给人带巨大的损失。碰撞问题 正越来越受到人们的关注，各国学者从多方面进行了碰撞研究。并提出很多研究方 法，除了模型碰撞实验外，最常用的就是计算机仿真实验，并依此开发出许多仿真 软件。目前，碰撞仿真建模的商业化软件很多，如h y p e r m e s h , 峪c n a s t r a n ，m s c d y t r a n a n s y s l s d y n a 和p 肌r a s h 等。这些商业软件各有侧重，h y p e r m e s h 软件是 专用的网格划分软件，在网格自动生成、单元质量检查以及不合格单元修改等方面 独具特色。a n s y s l s d 魄p a m - c r a s h 等大型软件则基本包含了上述全部功能。 接触碰撞是一个瞬态的( 约几百毫秒) 、复杂的物理过程。主要是由于碰撞物体 可以是由任意材料组成并具有复杂的几何形状和尺寸，同时载荷也是多种多样的， 因此物体的变形和所承受的接触应力、冲击应力也是各自不同的。它包含以大位移、 大转动和大应变为特征的几何非线性，以材料弹塑性变形为特征的材料非线性和以 接触摩擦为特征的边界非线性。微型飞机腹部着陆中飞机与地面的碰撞过程也是一 样的。微型飞机本身对最大尺寸和飞机的重量要求很严格，对微型飞机结构、材料 的强度提出更高的要求，并且不能采用起落架装置，微型飞机一般采用的是腹部着 陆的起降方式。在腹部着陆过程中，经常出现飞机结构被破坏，而目机载设备特别 是任务设备也经常被破坏而导致飞机的飞行任务失败。因此，对于飞机腹部着陆碰 撞过程的仿真探讨是十分必要的。 1 5 本文研究内容 本章前述的内容表明，微型飞行器作为一门新兴技术，它的发展需要许多不同 于传统飞行器设计的新概念。这些新设计概念涉及气动、结构、控制以及推进动力 等方面。本文前几章着重对微型飞行器m a v - 2 5 0 的设计全过程进行介绍；微型飞机在 腹部着陆过程中，经常出现飞机结构、机载设备破坏而导致飞机的飞行任务失败。 因此，本文的后面两章着重于飞机腹部着陆碰撞过程的仿真探讨，并对其适坠性迸 第一章绪论 行研究。本文的主要研究内容及章节安排简要介绍如下： 第一章全文的绪论部分。这一章中回顾了微型飞行器产生的背景、发展过程 和目前的研究现状，分析了微型飞行器的基本特征与应用前景以及微型飞行器所涉 及的关键技术，阐述了微系统力学的研究对微型飞行器和微系统技术发展的重要意 义，以及冲击碰撞方面的相关介绍，同时简要介绍了论文的主要研究内容。 第二章微型飞行器姒v - 2 5 0 及其改型机的设计全过程。包括微型飞栅v 一2 5 0 的设计目标，总体布局、翼型、各几何参数的确定，机载设备的选择气动特性、稳 定性的分析，飞机的制作装配过程，以及结合风洞实验和外场试飞情况，进行飞行 品质评价。考虑国内外柔性微型飞机的发展情况，柔性机翼能够提高飞机飞行稳定 性，对微型飞机m a v _ 2 5 0 进行改进设计，并与原机型进行比较。 第三章介绍微型飞机风洞实验情况，1 5 种微型飞机平面布局风洞实验，电机 拉力风洞实验，m a v - 2 5 0 和其改型机全机风洞实验的过程以及结果分析。外场试飞情 况和实验结果处理。 第四章微型飞机m a v _ 2 5 0 适坠性仿真实验。动态非线性有限元理论介绍，包括 大变形理论、接触面定义、接触碰撞理论、单元计算中的沙漏控制和时间控制；微 型飞机m a v - 2 5 0 的模型的建立、网格的划分、单元材料的选择、载荷的加载、定义接 触、各种控制参数的选择、最后仿真结果的分析以及提高飞机吸能能力的措施。 论文的第五章对全文的工作进行了概括总结，并对今后的工作中所需深入研究 的问题给予了展望。 西北工业大学硕士学位论文 第二章微型飞行器m a v - 2 5 0 及其改型机总体设计 2 1 设计目标 微型飞行器( m i c r oa i rv e h i c l e ，简称姒v ) 的概念源于2 0 世纪9 0 年代。根 据美国国防高级研究局( d e f e n s ea d v a n c e d r e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ，简称d a r p a ) 提出的要求，微型飞行器的基本技术指标是：飞行器各个方向的最大尺寸不超过1 5 厘米，续航时间2 0 - 6 0 分钟，航程达到1 0 公里以上，飞行速度2 2 - 4 5 公里小时， 可以携带有效载荷，完成一定的任务。根据我们目前的技术水平和能够获得的设备 元器件情况，提出了m a v - 2 5 的固定翼微型飞机设计方案( 其典型任务剖面如图2 1 所示) 最大尺寸：2 5 0 m m 最大起飞重量：大于1 6 0 9 ( 包括任务载荷重量) 巡航速度：3 6 6 0 k = h 续航时间：3 0 分钟左右 使用高度：视距范围( 遥控方式) 、l o o m 以上( 程控方式) 动力类型；电动机 起飞方式：手抛 着陆方式：腹部着地 控制方式：遥控( 目前) 、程控( 将来) 控制半径：视距( 目前) 、程控( 将来) 飞行高度稳定度：5 m 抗风力：4 级 具有遥控功能 任务设备：微型彩色摄像机 第二章微型飞机m a v - 2 5 0 及其改型机总体设计 2 2 惑馋布局 图2 1 微型飞机典型的任务剖面 根据水平尾翼( 平尾) 与机翼的前后位置不同，微型飞机可以分为三种不同构 型，即：正常式布局、鸭式布局和无尾式( 或飞翼式布局) 。这三种构型是飞机的最 基本的气动布局形式。根据目前国内外已经研制和在研的微型飞机可以看出，飞翼 式布局可以使飞行器在有限尺寸下获得尽可能大的升力，并具有较大装载容积，是 微型飞机的最佳选择。鉴于此，设计方案选择飞翼式的总体布局形式”。 飞翼式布局的机翼的平面形状有多种形式可供选择，为了获得具有较好气动特 性的平面形状，对微型飞机较常采用的1 5 种机翼平面形状进行了风洞实验研究。考 虑到实验模型制作和实验结果的比较分析，1 5 种实验模型均采用无弯度的薄板机 翼。从1 5 种布局的升力特性曲线( 如图2 2 ) 可以看出，速度、，= 1 0 m s 时，第1 0 种平面形状( 根弦长2 0 c m ，尖弦1 0 c m ，前缘后掠4 5 。的八角形) 的机翼具有最大 升力，因此，选取此平面形状作为微型飞机的机翼外形( 详细情况参见下一章风洞 实验) 。选用微型电动机为动力，螺旋桨采用直驱拉进式。机翼后缘设置一对差动副 翼，翼上后缘设置为垂直安定面，通过副翼的上下运动来实现飞机的纵向俯仰运动， 通过副翼的差动实现飞机的横向滚转运动，副翼的差动与垂直安定面的耦合作用实 现飞机的偏航运动( 如图2 3 所示) 。 i 4 西北工业大学硕士学位论文 髫占 图2 2 v = l o m s 时，1 5 种布局的升力特性曲线图2 3 微型飞机的总体布局方案 2 3 机载设备的选择 整个微型飞机由飞行控制系统、动力系统、任务设备系统( 如视频系统等) 、 能源系统和机体等组成。目前，元器件的微小型化技术发展相对比较缓慢和滞后。 因此，机载设备的选择主要依据市场现