论文部分内容阅读
摘要：在自然界中有很多昆虫可以通过高频率的振动自己的双翅来产生巨大的升力，进行自由自在的飞行。人们通过对其研究，了解到了相关的非定常空气动力学机理和理论。在实际生活中有很多的仿生学知识被应用到生活中，便利了人们的生活和出行。基于昆虫的仿生学相关人员研制出了扑翼飞行器，并且利用相关设计平台实现了对升力装置的测试和研究。文章从研究扑翼飞行器出发，通过研究其升力和扑翼参数，为之后的研究提供数据支持。
关键词：扑翼飞行器;升力;装置研究
0 引言
扑翼飞行器的扑翼设置是根据昆虫及鸟类的扑展双翅和振动的幅度进行研究的。扑翼飞行器和其他的飞行器相比，有着很多优点和便利点。在进行停歇过程中，可以在短时间内快速停下来，可以进行高速的旋转，遇到障碍时可以快速规避障碍，这样的飞行特点其他飞行器时无法相比的。因此在仿生学领域扑翼飞行器的设计有着非常重要的作用，作为飞行的重要因素之一升力，在扑翼飞行器的装置测试中非常重要。
1 升力测试装置的发展历程
在进行技术测试时，最常用到的升力测试系统是由风洞、升力测试装置和所需测试的模型一起组成的。在研究中需要进行测试的模型需要牢稳的固定到升力测试装置上，升力测试装置中一般会装有机械平或者应变天平，这都为测试固定提供了技术支持。需要测试的装置和飞行器的模型都需要放置在风洞口中，通过风速的变化对测试机器进行多方面的力能测试，其中可以测试装置的升力、推力、侧向力等多达六个方向的力。
这样的测试系统早在19世纪70年代就已经在英国建造好了，另外第一台机械天平也被制造出来。这台机械天平主要是为了测量飞行器的升力和阻力，虽然测试力的种类有限，但也是一次大突破，大革新。伴随科学的进步在20世纪40年代除去机械天平之外又研制出了台式的机械天平，此时在进行机械测试时可以测试六个量，是数量上有了再次突破。
随着时间的推移，由于科技的快速发展，风洞设置的迅猛突破，应变测量技术开始大显身手，应变天平得到了大力的发展和应用。到了20世纪60年代中期，风洞天平的发展已经到了成熟阶段，相应的天平技术也有了发展，并且在低速的风洞测量中被广泛应用。伴随著应变天平的发展成熟，又出现了压电天平、应力波天平等，很多扑翼飞行器都会在亚声速的情况下进行飞行。因此应变天平得到了非常多的应用。
2 升力测试装置的研究现状
在进行飞行器装置的测试中，需要测量的种类不会过多因此应用三分量的机械天平有些大材小用，相应的二分量机械天平应运而生，二分量机械天平可以测量装置的升力和阻力。在设备的研制过程中，有人提出了腹撑迎角式的风洞天平们可以从多个角度进行升力和阻力的测试。
很多情况下进行扑翼飞行器的升力测量不会一次进行六个分量的测试，人们根据实际需要研制出了可以测量升力Y，测量阻力X的单分量天平以及可以同时测量XY的二分量天平和测量XY俯仰力矩MZ的三分量天平。讲到的这些天平和传统的应变天平不一样，他可以将模型和测量装置连接起来，将实验装置组合成一个整体，可以进行静止状态下和有风力状态下的不同测量，但是数据的准确度方面还有提升的空间。
在进行实际扑翼飞行器升力装置测量中，身在南京航空航天大学的昂教授和他的团队通过非定常涡格法的计算对研制出来的仿生鸟的扑翼振动进行了研究和分析，在进行空气动力测试的过程中，用专门研制出来的六分量用天平进行了测试。六分量天平有着较高的测量精确度，得出的数据有极高的科学性。此外，西北大学的研究室采用二分量的天平对扑翼飞行器的升力和阻力进行了测试，此次装置测量将所需要测量物品放到了天平上，并且进行了静止状态和动态的双向测试。在实验过程中，不光有机械天平和应变天平进行测量，在科技的快速发展下，还有其他的测量方法，有人就用风力传感器的升力和阻力测试装置对果蝇这种小昆虫进行了风洞实验。远在美国的研究人员通过2D的力传感器和应变计组成的测试装置对在油罐中的机械翅进行了测量，并由此得出了昆虫提高升力的方法和应用措施。
东南大学的研究团队主要进行研究的就是柔性翅，并在自己研制出来的气动力测量实验平台上进行了升力和阻力的实验。这次实验的主要目的是给柔性翅的物品研制提供理论支持和研究书库。除此之外西北大学的相关研究团队们利用微型飞行器的专用风洞，把需要测量的扑翼飞行器放在风洞中，之后进行风力的传感，利用压力传感器的测量平台在进行风速控制的前提下研究扑翼振动的频率风速等，通过研究了解这些因素对扑翼机产生升力大小的影响，并且应用示波器来研究扑动翼扑动时做出的角度和升力大小之间存在的联系。学术界相关人员对于扑翼装置的升力测试装置都有着很大的兴趣，除此之外西北大学的研究人员研制出了一种综合性的测验平台，可以将扑翼飞行器在进行上下扑动、前后扑动和旋转状态下产生的气动力进行转变，通过不同的气动力调试可以得出不同的实验数据，增加最终数据的真实性，有一点限制就是此装备实验只能在风洞中完成。有进步就有突破，在安徽工业大学就有研究人员研制出了仿生的扑翼飞行器升力测试装置，这种装置可以脱离风洞，不需要风洞的参与就可以完成实验，可以通过角位移的传感设备完成对装置的升力测试，有所限制的是在当前情况下，想要用此装置进行除了升力之外的力的研究可需要在进行研究，此项设备还有很大的提升空间，但是能脱离风洞进行实验已经是一个很大进步。
通过对众多学校和研究人员进行的实验进行综合和整理，可以知道很多实验都是基于风洞进行的，这样的实验在操作过程中会使用到机械天平等装置，虽然最终得出的结果精确度高，实验的稳定性好但是整体实验操作过程复杂，需要花费的资金过于庞大，无法灵活的应用。虽然也有一些装置可以进行扑翼飞行器的升力测试，但是适应范围小或者只能停留在原地进行实验，一旦有大规模的飞行装置就无法进行测试。我们可以了解到升力测试的设备是跟随扑翼飞行器的发展而研制出来的，因此扑翼飞行器的发展程度和发展速度会直接影响升力测试装置的发展，相关专业人员想要对升力测试装备进行研究，就要加大研究范围，同时进行或前后进行扑翼飞行器的研究和大范围内升力测试设备的研究。让两者齐头发展。很多新型的扑翼飞行设备出现，相应的就会出现升力及阻力甚至更多分力的测试装置，对这些装置进行动力学的仿真测试可以很大程度提高实验真实性和准确性，保障实验过程的顺利发展。
3 结语
扑翼飞行器的构建需要解决升力和其本身的质量矛盾才可以进行飞行，很多扑翼飞行器大都有尺寸小速度慢的特点，很多仿生学设备在制作完成以及改进过程中会进行无数次的装置测试。本文基于扑翼飞行器的形成，应用升力测试装置进行了多方面的测量和数据分析。根据升力测试装置的发展历程我们明白科技在进步，相应的测量装置也越来越先进，测量数据越来越准确。为了将升力测试装置有更好的发展前撑，相关工作人员要加大研究力度，促进升力测试装置的精确度，还有很多方面的扑翼飞行器升力测量无法进行测量，这都需要我们的共同努力，为日后的数据分析提供有力支持。
参考文献：
[1]余永亮，童秉纲，马晖扬.昆虫拍翼方式的非定常流动物理再探讨[J].力学学报，2005（03）：257-265.
[2]牟晓蕾，孙茂.食蚜蝇悬停飞行时的气动特性[J].北京航空航天大学学报，2012，38（07）：925-930.
[3]解亚军，叶正寅，高永卫.半模机翼振动的风洞实验技术研究[J].航空工程进展，2012，3（01）：39-43.
[4]张俊晨.扑翼飞行器机翼开孔对其气动特性的影响研究[D].东北大学，2014.
[5]段文博，昂海松，肖天航.主动变形扑翼飞行器的设计和风洞测力试验研究[J].航空学报，2013，34（03）：474-486.
关键词：扑翼飞行器;升力;装置研究
0 引言
扑翼飞行器的扑翼设置是根据昆虫及鸟类的扑展双翅和振动的幅度进行研究的。扑翼飞行器和其他的飞行器相比，有着很多优点和便利点。在进行停歇过程中，可以在短时间内快速停下来，可以进行高速的旋转，遇到障碍时可以快速规避障碍，这样的飞行特点其他飞行器时无法相比的。因此在仿生学领域扑翼飞行器的设计有着非常重要的作用，作为飞行的重要因素之一升力，在扑翼飞行器的装置测试中非常重要。
1 升力测试装置的发展历程
在进行技术测试时，最常用到的升力测试系统是由风洞、升力测试装置和所需测试的模型一起组成的。在研究中需要进行测试的模型需要牢稳的固定到升力测试装置上，升力测试装置中一般会装有机械平或者应变天平，这都为测试固定提供了技术支持。需要测试的装置和飞行器的模型都需要放置在风洞口中，通过风速的变化对测试机器进行多方面的力能测试，其中可以测试装置的升力、推力、侧向力等多达六个方向的力。
这样的测试系统早在19世纪70年代就已经在英国建造好了，另外第一台机械天平也被制造出来。这台机械天平主要是为了测量飞行器的升力和阻力，虽然测试力的种类有限，但也是一次大突破，大革新。伴随科学的进步在20世纪40年代除去机械天平之外又研制出了台式的机械天平，此时在进行机械测试时可以测试六个量，是数量上有了再次突破。
随着时间的推移，由于科技的快速发展，风洞设置的迅猛突破，应变测量技术开始大显身手，应变天平得到了大力的发展和应用。到了20世纪60年代中期，风洞天平的发展已经到了成熟阶段，相应的天平技术也有了发展，并且在低速的风洞测量中被广泛应用。伴随著应变天平的发展成熟，又出现了压电天平、应力波天平等，很多扑翼飞行器都会在亚声速的情况下进行飞行。因此应变天平得到了非常多的应用。
2 升力测试装置的研究现状
在进行飞行器装置的测试中，需要测量的种类不会过多因此应用三分量的机械天平有些大材小用，相应的二分量机械天平应运而生，二分量机械天平可以测量装置的升力和阻力。在设备的研制过程中，有人提出了腹撑迎角式的风洞天平们可以从多个角度进行升力和阻力的测试。
很多情况下进行扑翼飞行器的升力测量不会一次进行六个分量的测试，人们根据实际需要研制出了可以测量升力Y，测量阻力X的单分量天平以及可以同时测量XY的二分量天平和测量XY俯仰力矩MZ的三分量天平。讲到的这些天平和传统的应变天平不一样，他可以将模型和测量装置连接起来，将实验装置组合成一个整体，可以进行静止状态下和有风力状态下的不同测量，但是数据的准确度方面还有提升的空间。
在进行实际扑翼飞行器升力装置测量中，身在南京航空航天大学的昂教授和他的团队通过非定常涡格法的计算对研制出来的仿生鸟的扑翼振动进行了研究和分析，在进行空气动力测试的过程中，用专门研制出来的六分量用天平进行了测试。六分量天平有着较高的测量精确度，得出的数据有极高的科学性。此外，西北大学的研究室采用二分量的天平对扑翼飞行器的升力和阻力进行了测试，此次装置测量将所需要测量物品放到了天平上，并且进行了静止状态和动态的双向测试。在实验过程中，不光有机械天平和应变天平进行测量，在科技的快速发展下，还有其他的测量方法，有人就用风力传感器的升力和阻力测试装置对果蝇这种小昆虫进行了风洞实验。远在美国的研究人员通过2D的力传感器和应变计组成的测试装置对在油罐中的机械翅进行了测量，并由此得出了昆虫提高升力的方法和应用措施。
东南大学的研究团队主要进行研究的就是柔性翅，并在自己研制出来的气动力测量实验平台上进行了升力和阻力的实验。这次实验的主要目的是给柔性翅的物品研制提供理论支持和研究书库。除此之外西北大学的相关研究团队们利用微型飞行器的专用风洞，把需要测量的扑翼飞行器放在风洞中，之后进行风力的传感，利用压力传感器的测量平台在进行风速控制的前提下研究扑翼振动的频率风速等，通过研究了解这些因素对扑翼机产生升力大小的影响，并且应用示波器来研究扑动翼扑动时做出的角度和升力大小之间存在的联系。学术界相关人员对于扑翼装置的升力测试装置都有着很大的兴趣，除此之外西北大学的研究人员研制出了一种综合性的测验平台，可以将扑翼飞行器在进行上下扑动、前后扑动和旋转状态下产生的气动力进行转变，通过不同的气动力调试可以得出不同的实验数据，增加最终数据的真实性，有一点限制就是此装备实验只能在风洞中完成。有进步就有突破，在安徽工业大学就有研究人员研制出了仿生的扑翼飞行器升力测试装置，这种装置可以脱离风洞，不需要风洞的参与就可以完成实验，可以通过角位移的传感设备完成对装置的升力测试，有所限制的是在当前情况下，想要用此装置进行除了升力之外的力的研究可需要在进行研究，此项设备还有很大的提升空间，但是能脱离风洞进行实验已经是一个很大进步。
通过对众多学校和研究人员进行的实验进行综合和整理，可以知道很多实验都是基于风洞进行的，这样的实验在操作过程中会使用到机械天平等装置，虽然最终得出的结果精确度高，实验的稳定性好但是整体实验操作过程复杂，需要花费的资金过于庞大，无法灵活的应用。虽然也有一些装置可以进行扑翼飞行器的升力测试，但是适应范围小或者只能停留在原地进行实验，一旦有大规模的飞行装置就无法进行测试。我们可以了解到升力测试的设备是跟随扑翼飞行器的发展而研制出来的，因此扑翼飞行器的发展程度和发展速度会直接影响升力测试装置的发展，相关专业人员想要对升力测试装备进行研究，就要加大研究范围，同时进行或前后进行扑翼飞行器的研究和大范围内升力测试设备的研究。让两者齐头发展。很多新型的扑翼飞行设备出现，相应的就会出现升力及阻力甚至更多分力的测试装置，对这些装置进行动力学的仿真测试可以很大程度提高实验真实性和准确性，保障实验过程的顺利发展。
3 结语
扑翼飞行器的构建需要解决升力和其本身的质量矛盾才可以进行飞行，很多扑翼飞行器大都有尺寸小速度慢的特点，很多仿生学设备在制作完成以及改进过程中会进行无数次的装置测试。本文基于扑翼飞行器的形成，应用升力测试装置进行了多方面的测量和数据分析。根据升力测试装置的发展历程我们明白科技在进步，相应的测量装置也越来越先进，测量数据越来越准确。为了将升力测试装置有更好的发展前撑，相关工作人员要加大研究力度，促进升力测试装置的精确度，还有很多方面的扑翼飞行器升力测量无法进行测量，这都需要我们的共同努力，为日后的数据分析提供有力支持。
参考文献：
[1]余永亮，童秉纲，马晖扬.昆虫拍翼方式的非定常流动物理再探讨[J].力学学报，2005（03）：257-265.
[2]牟晓蕾，孙茂.食蚜蝇悬停飞行时的气动特性[J].北京航空航天大学学报，2012，38（07）：925-930.
[3]解亚军，叶正寅，高永卫.半模机翼振动的风洞实验技术研究[J].航空工程进展，2012，3（01）：39-43.
[4]张俊晨.扑翼飞行器机翼开孔对其气动特性的影响研究[D].东北大学，2014.
[5]段文博，昂海松，肖天航.主动变形扑翼飞行器的设计和风洞测力试验研究[J].航空学报，2013，34（03）：474-486.