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1、柔性和刚性机翼微型飞行器气动特性差异探究摘要：设计并研制了一种布局形式的刚性机翼和柔性机翼的微型飞行器，在风洞中研究了刚性机翼和柔性机翼微型飞行器的气动特性，给出了刚性机翼和柔性机翼的气动特性差别。研究结果表明：柔性机翼的气动特性要比刚性机翼好，柔性机翼具有延迟失速的能力，有利于安全、稳定飞行。关键词：微型飞行器柔性机翼气动特性中图分类号：V211.7文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)12(a)-0001-03微型飞行器(MicroAirVehicle,MAV)的概念首先由美国科学家布鲁诺・W•奥根斯坦于1992年提出［1］。与传统的飞行器相比，微
2、型飞行器具有尺寸小、重量轻、结构简单、机动灵活、噪音小，以及具有很强的隐蔽性能等特点，使得它在军用上和民用上受到极大地关注。国际上对MAV的研究已经取得了一定得进展，佛罗里达大学的WeiShyy,YongshengLian和PeterIfju等开展了一些列的实验和数值模拟工作［2-4］o国内南京航空航天大学、西北工业大学和中国航天空气动力技术研究院等有研究者进行了相关的风洞实验研究和试飞［5］,但我国起步较晚，离国际上还有较大差距。微型飞行器飞行环境处于大气底层，大气的流动极不稳定，使机身面积微小的微型飞行器飞行稳定性不足。但是自然界中的鸟类同样是处于对流层中飞行，特
3、征长度与微型飞行器的相当，却具有极高的稳定性。因此，受鸟类的启发，我们将微型飞行器的机翼设计成像飞鸟的羽毛那样的柔性机翼，研究其抵抗不稳定气流的能力等方面的气动特性。为了验证柔性机翼的作用，设计研制了结构和布局相同的柔性机翼和刚性机翼MAV来验证。1实验设备1.1实验模型国内外相关研究表明：齐莫曼和反齐莫曼外形具有三角翼的优良特点，具有良好的气动性能［6］。同时，国内研究者发现，齐莫曼失速迎角明显大于反齐莫曼［5,7］,所以模型采用齐莫曼结构。模型用碳纤维布为填料、环氧树脂为基体的复合材料制作。模型前后缘为半椭(长短轴之比为5:1),弦长为c=180mm,展长为1=2
4、25mm,参考面积为S二31200mm2,平均气动弦长CA=150mm,柔性机翼蒙皮采用硅橡胶膜。为了对比刚性机翼和柔性机翼，以及不同构型的柔性机翼之间的气动特性，实验中共做了四个模型，如图1所示。在模型中间加装了一块宽度为48no的、具有S5010翼型的木块，作为模型的机身，用以将模型安装在天平上,四个模型采用同一个机身，以减小机身的不同对实验结果带来的影响。1.2实验风洞实验中使用的风洞是非定常风洞。这座风洞是南航设计、制造的低紊流度、低噪音的低速回流开口式风洞。该风洞能够产生非定常的自由来流。该风洞主要技术指标为：长X宽X高为1.7mXl.5mXlm,最大风速3
5、5m/s,最小稳定风速3m/s,紊流度W0.07%,俯仰方向气流偏角W0.5。，偏航方向气流偏角小于等于0.5。o2定常测力实验四个模型在风洞中的固定方式均如图2所示，通过螺钉将模型固定在天平杆上。在来流为定常速度的情况下，测量各个模型的气动力。主要考虑的有：迎角对气动力的影响；Re数即不同来流速度对气动力的影响；不同模型的构型对气动力的影响。实验中,模型的迎角变化范围为：-2。〜36。，角度间隔为2°o考虑Re数对气动力的影响时，选取了5组来流速度，分别为:5m/s、8m/s、11m/s、14m/s和17m/so2.1不同模型结构对气动力的影响如图3给出了来流速度为
6、11m/s时的升力系数、阻力系数、升阻比随迎角变化的曲线以及极曲线。11m/s的来流速度对应的Re数依次为1.155X105o从曲线中可以看到，在迎角为22。之前，3号模型的升力系数要大于其他三个模型。这是因为3号模型的整个柔性蒙皮在流场中会向上鼓起，而边缘是固定不变的。这样的变形方式增加了翼型的相对弯度，从而提高翼型的升力系数。同时3号模型升力线斜率略大于其他三个模型。在小迎角的时候（a2.2不同雷诺数对气动力的影响实验中，对同一模型进行了不同雷诺数的实验，Re数分别为：5.25X104,8.4X104,1.155X105,1.47X105,1.785X105o图4
7、〜7分别给出了各个模型在不同雷诺数下的升力系数曲线和升阻比曲线。在来流速度为5m/s的情况下，模型的气动力特性曲线显得不够光滑，这可能与雷诺数过小有关。除了5m/s外，其他的来流速度对各个模型的气动力的影响不大。升力系数曲线在不同雷诺数下几乎一致，只是在失速区升力系数略有不同。但从升阻比曲线中可以看出，各个模型的最大升阻比会随着雷诺数的增加而有所增大。3结论本文通过制作了四个不同的模型，进行了常规风速下的测力实验，通过比较各个模型的气动力的变化，我们发现柔性机翼对失速有延迟作用。结果表明，柔性模型的柔性变形是导致其气动特性与刚性机翼不同的原因，柔性变
