刘文斌出诊时间 http://m.39.net/baidianfeng/a_8505691.html前文回顾
通过研究我们已经知道，鸟类翅翼结构中，前缘部分主要为骨骼、肌肉，具有厚度较大，质量、刚度较大的特点。翅翼后面的部分则主要由弦向向后延伸的轻质飞羽组成。每一根飞羽较硬的羽轴可以保持翅翼翼型，而柔软的羽毛彼此之间像瓦片一样互相重叠，可以保证在不产生缝隙引起气动损失的情况下进一步令翅翼的刚度轴前移。鸟类翅翼结构特点给我们的启发是：可以设计的机翼是薄翼型、弦向有翼肋以及靠前的质量、刚度轴。
下面简要分析这种翅翼设计是如何实现通过被动变形达到抗突风影响的效果的。
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薄翼型易产生机翼扭转变形的影响
模仿鸟类的薄翼型设计，除了可以减轻结构重量，适应低雷诺数下飞行需求，同时对机翼的刚度也会带来很大影响。因为这类薄壁梁结构可显著减小围绕翼型截面剪力流产生的反作用扭矩，从而显著降低机翼的扭转刚度。较低的扭转刚度意味着飞行过程中柔性机翼产生的弹性变形也会比较明显。
图1鸟类翅翼翼型
图2传统翼型(a)和薄膜翼薄翼型(b)剪力流对比示意图
机翼的扭转变形会直接影响机翼的当地攻角分布，从而直接影响气动力与气动弹性效应。机翼上攻角分布的改变也会影响全机的飞行动力学过程，尤其是对飞行器纵向短周期有直接的影响。因此，此类仿鸟薄翼型机翼设计可以使得机翼气动弹性与全机飞行动力学之间的耦合效应得到明显加强，为通过柔性翼气动弹性改善飞行动力学特性提供了可能和有效技术途径。
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机翼质量、刚度轴前/后移对飞行器刚柔耦合效应的影响
鸟类翅翼的另一个特点是靠前的质量和弹性轴位置。机翼沿着弦向质量轴、弹性轴的几何关系见图3。其中xleading和xtrailing分别代表某展向位置处翼型截面的前缘和后缘端点弦向位置。xI和xE分别为质量轴和刚度轴的弦向位置。
图3质量轴与刚度轴的弦向位置
以均匀厚度薄膜机翼为基础，将其质量轴与刚度轴的位置适当调整，可以计算质量轴在不同位置对机翼动力学特性的影响。
图4给出了飞行器动力学中短周期特征根和机翼主一阶弹性模态特征根的随空速增加的变化情况。红色数据点表示质量轴后移（约后移了0.3~0.35的弦长）的对应情况：
（1）机翼首阶气动弹性模态频率随着空速的增加而下降。
（2）飞行器动力学主短周期模态频率增加，阻尼比降低。这意味着此时柔性翼飞行器对突风的响应更加敏感。
图4质量与刚度轴后移之后的耦合飞行动力学特征根
（3）机翼首阶气动弹性模态的下降速度和飞行器动力学短周期模态频率的上升速度都很快，二者之间的频带差随着空速增加而迅速减小直至消失。
（4）随着空速进一步增加，机翼首阶弹性模态会迅速穿过了虚轴进入右半平面。这种特殊的气动弹性-飞行动力学耦合系统的发散现象也称为体自由度颤振（BFF）。
上图中，紫色数据点代表了弹性轴后移的相应情况。其耦合特性与质量轴后移的情况类似。
图5给出了质量轴（深蓝色）和弹性轴（淡蓝色）向前移动情况。耦合特性更为强烈。其中，飞行器动力学短周期模态频率变得更低，阻尼比更大，抗突风的能力得到了增强。
图5质量与刚度轴前移情况的耦合飞行动力学特征根
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仿鸟柔性翼飞行器的机翼优化设计
相关结论可以用来指导仿鸟柔性机翼的结构设计与优化。机翼采用碳纤平纹布进行铺层，并在胶水加固后高温成型。相邻两层的碳纤方向均互相正交，因此整体上可视为各向同性。薄膜机翼的薄膜厚度可通过铺层的层数来控制。图6，在机翼(a)中，各处的铺层厚度相同，因此其质量和刚度轴均位于弦长中点处附近。在机翼(b)中，前缘部分的碳纤铺层厚度明显大于后缘部分，因此质量和刚度轴的位置较为靠前。根据前面分析，刚柔耦合得到了加强，飞行器的稳定性和抗突风能力会得到提升。
图6优化前后柔性翼的质量、刚度轴对比图
图7中，曲线（1），（2）和（3）表示搭配刚性翼、初始设计机翼和优化设计机翼情况下飞行器的各个突风扰动响应曲线。从中可以看出，而当机翼的质量、刚度轴前移时，飞行器的纵向稳定性和抗突风能力得到了显著提高。
图7俯仰角，纵向位移在突风扰动下的变化曲线
（线型（1）表示均匀铺层，线型（3）表示前缘厚，后缘部分薄的铺层方式）
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结论
本篇主要分析了具有鸟类翅翼特点的柔性翼设计对飞行器刚柔耦合飞行动力学产生的特定影响。即，
(1)模仿羽轴-羽片结构设计的弦向翼肋可保证翼型形状、减小非线性气动力变化;
(2)薄翼型可很大程度上减小机翼的扭转刚度，机翼首阶弹性模态为主扭转模态。可以确保与飞行器动力学纵向短周期之间的刚柔耦合效应增强，模态频率随空速的变化速度也会加快；
(3)机翼质量与刚度轴的位置决定了机翼模态频率随空速增加变大还是变小。后置的质量、刚度轴会减小机翼模态频率，会导致机翼与飞行器动力学短周期运动之间的频带差消失，并可能导致体自由度颤振现象；
(4)机翼前置的质量轴和刚度轴将会使得首阶气动弹性模态频率上升，并且令飞行器短周期模态更加稳定，突风响应得到减缓。
因此，此类仿鸟柔性翼的刚柔耦合机理可作为一种提升小型固定翼无人飞行器抗突风能力与飞行稳定性的新方法，即通过合理的结构设计，在无需改变气动外形与质量分布的情况下，通过利用气动弹性变形来实现对飞行动力学特性的优化。
（可被动变形柔性翼飞行器，年完成飞行试验）
（卷曲折叠机翼弹性快速展开，年试验）
参考文献：
[1]张硕，主被动变形翼飞行器刚柔耦合飞行动力学分析与控制方法研究，博士论文，北京理工大学，
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