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[原创]现有扑翼机分析和翼弦线弹性扭转技术的希望

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发表于 2019-7-4 15:56:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 人力扑翼 于 2019-7-5 16:47 编辑

1. 现有扑翼机的翼弦线俯仰角的影响因素(方式)

    现有技术中,影响翼弦线俯仰角的因素(有些故意的,就是影响方式)有以下多种。

    a. 机身纵轴线(或扑动平面法线、或翼弦线安装角)的系统性上翘,使翼弦线零位偏高,在全周期增加一点角度。

    b. 下扑时整机俯仰角向上变化,上扑时整机俯仰角向下变化。进而形成翼弦线俯仰角随之周期性变化。但是,翼弦线俯仰角的变化相位相对于“小变载波状滑翔”的理想情况提前了几十度。

    c. 翼弦线的非弹性空回,使得当翼轨迹俯仰角在翼弦线俯仰角空回区内时,翼弦线处于自由飘动状态,攻角几乎是零升攻角。

    d. 翼弦线的弹性变化,在弹性力矩和气动力矩的综合作用下形成翼弦线俯仰角。

    e. 在翼弦线俯仰角有空回或弹性力矩时,翼自身质量形成的弦线重力俯仰力矩(恒定)和挥动惯性力矩(和挥动加速度成比例)。

    f. 由于平尾俯仰角的主动变化,使整机俯仰角随平尾俯仰角变化,从而使翼弦线俯仰角随平尾俯仰角周期性变化。

    g. 翼弦线俯仰角按预设规律主动变化。例如德国Smart bird。

    注意,这里所说的翼弦线弹性,和前面文中所说的身对翼的拉力中的弹性力不是一回事,不能混为一谈。


2. 现有扑翼机各参数变化的一种典型情况
    现有扑翼机的翼轨迹俯仰角和翼弦线俯仰角的一种典型变化规律如下图所示。

初步1.png
    根据定常气动力学中气动力和攻角的关系,以及迎流方向的变化情况,所得出的相应的气动力分量变化规律如下图所示。
初步2.png
        


当综合气动力垂直分量曲线面积的代数和(横轴以下面积为负)等于重力绝对值直线下的面积时,水平飞行。当综合气动力(包括形阻)水平分量曲线面积的代数和等于0时,等速飞行。

可见,当综合气动力垂直分量代数面积等于重力绝对值面积时,动力绝对值面积就会大于综合气动力垂直分量代数面积,所以动力绝对值面积大于重力绝对值面积,也就是功耗很大,效率很低。

这个典型情况只是个例子。比这个例子更重要的,是使用角度变化曲线和力的变化曲线来分析某种扑翼的具体工作情况。有条件的,应该实测这些变化曲线。


3. 理想的翼弦线弹性被动扭转

翼弦线的弹性被动扭转,有可能大体满足“小变载波状滑翔”原理。

最简单的情况,翼弦线的弹性扭转力矩是翼弦线俯仰角的线性函数。

要使这个弹性扭转力矩大体满足“小变载波状滑翔”原理,就要做到以下几点:

a.无论翼弦线俯仰角是正还是负,弹性扭转力矩都应为正。

b. 翼弦线俯仰角为负值时的弹性扭转力矩,大于翼弦线俯仰角为正值时的弹性扭转力矩。

c. 在翼弦线俯仰角变化范围内,弹性扭转力矩的平均值大体等于整机静重力相应的翼弦线扭转力矩。

扭转弹性力矩和翼弦线俯仰角的理想关系应如下图所示。
初步3.png


    翼弦线弹性力矩对翼弦线俯仰角的直线函数的参数,可按直线方程推导出来(另文发布)。
    这种情况下,翼弦线俯仰角和翼轨迹俯仰角在飞行中的变化规律如下图。

初步4.png
    这就保证了攻角始终为正,而且下挥时的攻角大于上挥时的攻角。按定常气动力学的气动力与攻角的关系,以及迎流方向的变化情况,可推出相应的气动力分量变化规律如下图。
初步5.png
    当综合气动力垂直分量代数面积等于重力绝对值面积时,水平飞行。当综合气动力水平分量代数面积等于0时,等速飞行。
    特别注意,翼弦线扭转的弹性力,和辅助挥翼的弹性力不是一回事。
    如果挥翼的力中没有弹性力而全靠耗能的动力,那么此时需求的动力如下图所示:
初步6.png
    可见动力绝对值面积等于综合气动力垂直分量代数面积,也就等于重力绝对值面积,仍然较大。
    如果用大体相当于重力的弹性力加在挥翼的力中,那么需求的耗能动力绝对值就会小多了。如下图所示。
初步7.png
    总的来说,无论是助挥弹性力还是扭转弹性力,都应该是全程单向的,而不能是双向的,而且弹力零位都应该在正常工作范围之外较远的点。(具体调整方法另文发布)。
    所谓巡航的高效率,不是要用大力气,而是要会“偷懒”。无论上挥还是下挥,都以助挥弹性力和扭转弹性力为主始终压着空气滑,在此基础上动力只作一点儿往复的悠荡就可以了。
    如此,用弹性被动扭转实现高效率巡航、提高飞行速度、甚至实现大型扑翼,都可能是有希望的。
    在人力扑翼中也可以考虑使用弦线角弹性力矩来作为辅助自调节机制。


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