海阔凭鱼跃 沈海军的航空与纳米 ...分享 http://blog.sciencenet.cn/u/沈海军 同济大学 教授Email:SHJ@tongji.edu.cn /SHJ@nuaa.edu.cn 版权所有

博文

同济大学师生成功研制仿生飞鱼飞机

已有 1918 次阅读 2021-5-25 15:07 |系统分类:科研笔记

2021年5月21日,同济大学航空与力学学院学生团队严晴晴、邹施睿、曹日兴、汪成、余翼等人,研制出了一架仿生飞鱼无人机,并成功试飞。

image.png

仿生飞鱼无人机

  

为了获得飞鱼的气动外形,课题组特地前往海南,购买了4条鲜活的飞鱼。飞鱼原始模型构建过程中,先将飞鱼的胸鳍和腹鳍拿牙签固定,放入冰箱冷冻室冻结固定,撤去牙签后,飞鱼的形态即可保持一定。

image.png

待扫描的冷冻飞鱼

接下来就对飞鱼进行后续测量和三维扫描。经过测量,课题组准确获得了飞鱼的翼展、身长等几何参数。三维扫描采用非接触式光学双目立体扫描仪,获得飞鱼原始模型的点云数据,并通过Imageware软件,构建出了飞鱼模型的外形曲面。进而通过用逆向设计的方法,获得飞鱼生物体的原始模型。

 

image.png

扫描飞鱼后获得的原始模型点云数据

 

飞鱼原始拟合曲面在仿生飞鱼无人机设计过程中起到了指导性的作用。

基于扫描的飞鱼生原始模型,在CATIA软件中,通过相交及投影的方法,获得飞鱼模型的特征曲线,然后再利用样条曲线(Spline Curves) 对这些特征曲线进行拟合,得到光顺的特征曲线。最后利用 CATIA 中的相关指令,构建新的曲面,拼合成整体,得到了飞鱼各部分的气动外形模型。其三视图如图所示。

 

image.pngimage.png

修正前和修正后的飞鱼曲面模型

得到仿生飞鱼无人机气动外形后,一方面可以在后续使用电脑软件计算气动性能,另一方面用来作为三维飞鱼结构模型的外形曲面。

 

气动性能理论模拟

为了获得飞鱼飞机的气动性能,我们利用计算流体力学软件在大型工作站上对飞鱼进行了理论模拟与分析。为得到精准的理论数据,飞鱼计算流体模型中进行了结构网格的划分.全流场域内,网格元素数量达到了1千万,网格形式采用四面体的形式。其中,机翼和尾翼的前缘和后缘进行了网格加密,以提升计算精度。

经过数月的计算和数据整理,最终获得了飞鱼飞机的表面压力、流场、压力场,以及升力/阻力/升阻比和稳定性曲线等一系列气动性能数据(见下图)。

image.png

飞鱼表面压力分布结果

 

计算数据显示,飞鱼的气动性能十分优异,其机翼机身上表面流速较快,可形成低压区,为飞鱼提供充裕的升力。由于主机翼(胸鳍)和平尾(腹鳍)之间气流的干涉,使得飞鱼获得了额外的升力。这为我们揭开了飞鱼可长时间滑翔的秘密

仿真结果还表明,飞鱼的失速迎角可高达30度,超出了诸多现代飞机的失速迎角,表现出了极其出色的抗失速能力;最大升阻比可达25,远超出现在的绝大多数飞机,气动效率之高,令现代飞机黯然。

 

结构设计与制作

仿飞鱼飞机结构设计要求,飞机的结构和制造工艺尽可能简单可靠、且重量足够轻。

为此,飞鱼飞机结构设计时,将飞机设置为可拆分模块化,机身设置了14个隔框,分为前机身和后机身两个部分。飞鱼的胸鳍被设计成主机翼,用于提供飞机的升力;左右机翼各包含了三个墙和9个翼肋,尾缘设计有副翼,用来控制飞机的横滚运动;机翼在前机身左右两侧通过碳纤维管对接。飞鱼头部(机头)预留了电机安装支架,供安装大马力电机和螺旋桨之用;后机身上方的背鳍和末端的尾鳍,分别充当飞机的垂直安定面和全动方向舵,用于保证飞机的航向稳定性和航向运动;前下方设置有臀鳍,作为飞机水平安定面,为维持飞机的俯仰稳定。飞鱼飞机的结构由100余部件组成,每个部件做了减轻孔设计,以控制飞机的总重量。

image.png

CAD 3D模型

将三维CAD模型各部件投影成二维工程图,便可得到激光切割的零件加工图纸。经过激光切割,得到了如下的激光切割飞机模型零件。对零件组装、胶水固定、铺设蒙板、打磨、贴迷彩蒙皮、加装动力装置与控制系统后,一架飞鱼飞机便大功告成。

image.png

仿飞鱼飞机

完成后的飞鱼飞机翼展1.5米,身长1.8米,后三点起落架布局,安装了双叶高效率螺旋桨,由一枚大功率电机和6S锂电池提供动力。

飞鱼飞机试飞

由于起飞条件和限飞令的限制,课题组先后考察了上海西岸营地、昌飞路等地,最后定址佘山附近的玄风航空飞行基地进行试飞。该飞行基地是上海地区官方指定的试飞点,拥有一条200米的跑道,以及一片宽阔的空域,可完全满足试飞需求。

试飞现场,在紧张的试飞准备工作与调试完成后,飞机滑跑至跑道一端。随着一声令下,飞机启动,滑跑,加速,最终一跃而起。飞机经过空中两圈的巡航后,平稳缓慢地降落。在短暂的试飞中,飞机横侧、掉头,表现的十分灵活,最终缓缓落地,飞机安然无损。

 微信图片_20210521075952.jpg


团队学生与试飞员合影

dba36553c804f8fae4989f3e919d482.jpg

飞鱼飞机在空中翱翔

“研制仿生飞鱼飞机,并让其飞上蓝天,是一项激动人心的事。这项工作展示了仿生飞行学的神奇魅力,对于人类发展和设计新型飞行器有着相重要价值”团队指导老师沈海军教授表示。

de801da4f989f898ef966227c99829f.jpg




https://m.sciencenet.cn/blog-39356-1288194.html

上一篇:中国最早的飞机出现在上海
下一篇:受关工委委托开展航空科普活动

9 齐国臣 郁志勇 康建 杨卫东 周忠浩 吴斌 汪育才 张明武 NTUZYY

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (2 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2022-10-7 14:20

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部