谷承露 邹天宇 宋志伟
航天神舟飞行器有限公司 天津 300300
摘要：仿鹰扑翼飞行器指的是将飞行器机翼仿照鹰的翅膀来进行设计，从而使机翼通过主动运动来产生飞行的动力。本文首先对仿鹰扑翼飞行器进行了分析和研究；其次，对仿鹰扑翼飞行器多飞行模式结构进行了设计；接着，对多飞行模式仿鹰扑翼气动特性进行了分析；最后，进一步优化了仿鹰扑翼飞行器多飞行模式。
关键词：仿鹰扑翼飞行器；设计研究；多飞行模式
引言：随着我国科学技术的不断发展，仿生学原理在机翼设计工作中应用的越来越广泛，仿鹰扑翼飞行器是目前较为主流的一种机翼结构，可以为飞行器提供更多的动力。基于此，对于仿鹰扑翼飞行器的多飞行模式设计要不断进行研究和优化，充分考虑多飞行模式仿鹰扑翼的气动特性，进而对其进行更加完善的设计。
1仿鹰扑翼飞行器的研究
1.1鹰的翅翼结构
仿鹰扑翼飞行器就是依靠仿生学原理，来将机翼的结构设计为鹰的翅膀的形态，从而为飞行器提供更多的动力。因此，在进行仿鹰扑翼飞行器的设计时，首先要对鹰的翅膀结构，以及鹰的飞行方式进行充分的研究。根据对于鹰的观察，可以发现鹰在飞行时，其翅膀展长较长，并且可以分成内段翅膀和外段翅膀两个部分，整体的飞行形式可以概括为：鹰在飞行的起始阶段，先进行扑动翅膀，然后通过折弯翅膀的方式来进行加速；在改变飞行方向时，鹰常常通过扭转翅膀来进行，因此，可以说鹰的整个飞行过程具有协同运动的特点。所以对于仿鹰扑翼飞行器的设计，要根据鹰的飞行特点设计合理的结构参数。
1.2气动特性与飞行参数
鹰在不同的环境下，其飞行模式也是在不断变化的，其中最为主要的研究目标就是鹰的起飞、加速以及降落三个阶段。首先，鹰在起飞时，身体会产生较大的仰角，并快速扑动翅膀来向上飞行，此时，飞行的上升力必须要超过鹰自身的重力，因此在设计仿鹰扑翼飞行器时，要充分考虑上升阻力。其次，鹰在正常的飞行状态下，翅膀的扑动幅度小、频率低，且翅膀与身体的夹角也比较小，从而降低了在飞行过程中所遇到的阻力，因此，在设计仿鹰扑翼飞行器时，要确保飞行器具有较小的阻力和较高的飞行效率。最后，在鹰降落的过程中，其翅膀会快速进行频率高、幅度大的扑动，通过与空气进行摩擦产生阻力，进而减缓自身的飞行速度。基于此，在对仿鹰扑翼飞行器时进行设计时，对于机翼的扑动频率、夹角、扭转角、飞行阻力等因素都要进行充分考虑。
2仿鹰扑翼飞行器多飞行模式结构设计
2.1仿鹰扑翼飞行器多飞行模式结构设计要求
仿鹰扑翼飞行器多飞行模式结构设计是根据鹰的飞行模式为设计原理来进行的，因此在设计时要充分考虑鹰的飞行习惯。首先，仿鹰扑翼飞行器的机翼可以必须可以满足扑动、折叠、扭转等多种形式的调节，并为每个调节的角度都制定合理飞参数；当仿鹰扑翼飞行器在不同飞行模式下的运动频率发生变化时，要对其运动周期进行一个合理的规划。其次，仿鹰扑翼飞行器的翼展尺寸、展弦比需要根据仿生结构原理来进行规划，严格按照鹰的结构比例来进行设计，同时确保机身截面的最大宽度保持在翼展长度的25%以下。最后，为了更好地提升仿鹰扑翼飞行器的飞行效率，就要确保仿鹰扑翼飞行器在实际的飞行过程中具有急回运动，左右机翼的运动具有对称性，从而更好地保证仿鹰扑翼飞行器飞行具有稳定性。
2.2仿鹰扑翼飞行器多飞行模式结构设计方案
仿鹰扑翼飞行器多飞行模式结构设计方案必须严格按照设计要求来进行，防止仿鹰扑翼飞行器在运行的过程中出现左右机翼扑动不对称的问题。
通过对鹰的飞行模式进行观察可知，鹰在飞行时不光会进行翅膀的上下扑动，还伴随着翅膀的展向的折曲运动及弦向的扭转运动，因此仿鹰扑翼飞行器多飞行模式结构设计方案要充分考虑仿鹰扑翼飞行器机翼的形状变化和扑动角度之间的联系。例如：在多连杆扑动机构的基础上，设计内翼和外翼，从而保证仿鹰扑翼飞行器的灵活性和稳定性。
2.3仿鹰扑翼飞行器多飞行模式整体结构设计
对于仿鹰扑翼飞行器多飞行模式整体结构的设计，需要从更加立体的角度来进行，充分还原和仿生鹰的飞行模式。从整体上看，仿鹰扑翼飞行器包含了机身、扑动结构、折叠结构、扭转结构以及侧翼和尾翼。基于此，可以为仿鹰扑翼飞行器设置两个电机，通过改变仿鹰扑翼飞行器的扑动速度和扭转速度，来实现仿鹰扑翼飞行器进行不同角度的扑动运动和扭转运动相结合的飞行方式。这样一来，仿鹰扑翼飞行器的整体飞行模式就更加仿生于鹰的飞行模式，并通过组合运动的方式来实现仿鹰扑翼飞行器多飞行模式[1]。
3多飞行模式仿鹰扑翼飞行器气动特性分析
3.1多飞行模式仿鹰扑翼飞行器气动力计算模型
建立多飞行模式仿鹰扑翼飞行器气动力计算模型，可以从更加直观、更加多角度的层次来记进行多飞行模式仿鹰扑翼气动性分析。首先，可以在仿鹰扑翼飞行器的机翼上建立坐标系，将机身的轴线方向作为x轴；机翼的弦向方向作为y轴，从而使仿鹰扑翼飞行器的飞行模式更贴近于鹰的飞行方式。此时，将仿鹰扑翼飞行器一机翼根部为轴进行上下扑动；并以机翼前缘弦线为轴进行扭转运动，进一步得出多飞行模式仿鹰扑翼气动力计算模型，为之后的工作奠定基础。
3.2多飞行模式仿鹰扑翼飞行器气动力特性分析
一般来说，鹰在不同的环境中进行飞行，会根据外部环境的变化来不断调整自身的飞行方式，进而更好地保证飞行的稳定性和高效性。基于此，在对仿鹰扑翼飞行器多飞行模式进行设计和研究时，要充分考虑多飞行模式仿鹰扑翼飞行器的气动力特性。由于目前大部分仿鹰扑翼飞行器所采用的机翼种类，都具有前部厚、弯度大的忒单，因此更符合大型鸟类的仿生特点。除此之外，对于多飞行模式仿鹰扑翼飞行器气动力特性的研究，还要充分考虑仿鹰扑翼飞行器的飞行状态、温度、阻力等因素。
4仿鹰扑翼飞行器多飞行模式进一步优化及研究
4.1多飞行模式仿鹰扑翼飞行器运动学模型
多飞行模式仿鹰扑翼飞行器运动学模型是根据鹰的翅膀为设计参数，来进一步研究鹰的飞行特点，从而对仿鹰扑翼飞行器进行优化。目前大部分仿鹰扑翼飞行器的机翼大多是采用单段扑翼模型，主要运动类型为机翼展向扑动和弦向扭转。为了使仿鹰扑翼飞行器的飞行方式更贴近于鹰，可以在当前基础上，不断进行多飞行模式的设计，例如：两段式扑翼的形状表现为上表面弧形，下表面内凹形，从而使仿鹰扑翼飞行器的机翼与鹰的翅膀更贴近。
4.2多飞行模式仿鹰扑翼飞行器运动特性
想要进一步优化仿鹰扑翼飞行器的实际飞行状态，就要对多飞行模式仿鹰扑翼飞行器运动特性进行深层次的分析。例如：根据仿生原理来制定参数，从而列出仿鹰扑翼飞行器机翼运动的参数方程，采用交互式优化设计方法来对仿鹰扑翼飞行器的飞行方式进行优化。确保仿鹰扑翼飞行器的最大扑动角和最大扭转角更具有科学性，从而提升机翼的升力系数和气动性能[2]。
结论：综上所述，仿鹰扑翼的结构设计形式可以为飞行器提供更好的动力，因此要对仿鹰扑翼飞行器进行多飞行模式的结构设计。同时，仿鹰扑翼飞行器的气动特性与机翼类型有着很大的关联，在对仿鹰扑翼飞行器多飞行模式进行设计时，要充分考虑这个因素，进而不断对仿鹰扑翼飞行器多飞行模式结构进行优化。
参考文献：
[1]高颖,侯宇,华兆敏,等.仿鹰扑翼飞行器设计及多飞行模式的实现[J].机械设计,2020,37(01):65-71.
[2]杨小川,罗巍,何炬恒,等.V-Bat——非航母舰载小型垂起无人机发展历程及技术特点[J].飞航导弹,2019(12):43-48+54.