“仿生飞鱼无人机”上天揭示飞鱼可长时间滑翔的秘密

2021-07-26 14:49:52

近日,同济大学航空与力学学院学生严晴晴、邹施睿、曹日兴、汪成、余翼等人组成的团队,在该院教授沈海军指导下,研制出了一架仿生飞鱼无人机,并成功试飞。

做一架仿生飞鱼无人机

仿生无人机是一种“师法自然”的飞行器。沈海军向《中国科学报》介绍,自然界中生物经过亿万年的自然选择和进化,拥有了许多优良的特性,包括高效的气动外形、可靠的内部结构、独特的环境感知系统等。他举例说,1934年克莱斯勒公司造出的气流牌汽车是世界上第一辆流线型车,是汽车造型史上的重要创举;20世纪80年代,美国国家航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心的R.T.惠特科姆根据老鹰飞行时翼尖上翘的羽毛发明了翼梢小翼,这种结构可以降低飞机的诱导阻力。

“这些优良的特性对于人类的科技发展和产品设计有着相当大的参考价值。”沈海军说,而飞鱼就是自然界一大奇观,它们为了躲避天敌,进化出了在水面高速滑翔的能力。出于现代飞机设计制造“师法自然”的理念,同济大学航院学生团队萌生了研制仿生飞鱼无人机的想法。

沈海军在这方面有丰富的经验。他多年研究仿形飞行器,带领的课题组曾经成功设计并制造出“古埃及木鸟”“玛雅黄金飞机”等无人机并成功试飞。在微小飞行器实验室,沈海军已收纳了上千架原创飞行器模型。

说干就干。为了获得飞鱼的气动外形,课题组特地在海南购买了4条鲜活的飞鱼。在飞鱼原始模型构建过程中,他们先将飞鱼的胸鳍和腹鳍拿牙签固定、放入冰箱冷冻室冻结,撤去牙签后,飞鱼的形态得以保持。

接下来是对飞鱼形态进行测量和三维扫描。经过测量,研制团队准确获得了飞鱼的翼展、身长等几何参数。沈海军向《中国科学报》介绍,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;进而用逆向设计的方法,获得飞鱼生物体的原始模型。

“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。”沈海军说,基于扫描的飞鱼仿生原始模型,在CATIA软件中,通过相交及投影的方法,即可获得飞鱼模型的特征曲线,然后再利用样条曲线对这些特征曲线进行拟合,进而得到光顺的特征曲线。最后,利用 CATIA 中的相关指令,构建新的曲面并拼合成整体,得到了飞鱼各部分的气动外形模型。

沈海军介绍说,仿生飞鱼无人机气动外形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。

揭示飞鱼可长时间滑翔的秘密

飞鱼无人机的气动性能如何,是决定它能否顺利起飞的关键。“为了获得飞鱼无人机的气动性能,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。”团队成员邹施睿告诉《中国科学报》记者,他们为了得到精准的理论数据,在飞鱼计算流体模型中进行了结构网格的划分。采用四面体形式的网格形式,全流场域内网格元素数量达到千万级。其间,他们还对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,团队最终获得了飞鱼无人机的表面压力、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。

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。”研制团队成员说。

沈海军告诉记者,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。

仿生飞行学的魅力

万事俱备,只欠“制作”。沈海军说,按照一般结构设计要求,飞机的结构和制造工艺要尽可能简单可靠,且重量足够轻。

在飞鱼无人机设计过程中,飞鱼的胸鳍被设计成主机翼,用于提供其升力;后机身上方和末端分别仿飞鱼的背鳍和尾鳍,充当无人机的垂直安定面和全动方向舵,用于保证其航向稳定性和航向运动;前下方设置有“臀鳍”,作为其水平安定面,用以维持它的俯仰稳定。其中,在左右主机翼上各包含了三个墙和9个翼肋,尾缘设计有副翼,用来控制其横滚运动;机翼在前机身左右两侧通过碳纤维管对接。在机头部位预留了电机安装支架,供安装大马力电机和螺旋桨之用。

据沈海军介绍,飞鱼无人机的结构由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。

此外,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,即可得到激光切割飞机模型零件。研制团队对零件组装、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,一架飞鱼无人机便大功告成。

最终,研制团队通过对飞鱼的气动外形和结构进行分析和仿生学设计,获得了具有优异气动外形的无人机。完成后的飞鱼无人机翼展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。

试飞定在上海松山区佘山附近的玄风航空飞行基地进行。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,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,随着一声令下,飞机启动、滑跑、加速,最终一跃而起。无人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,无人机横侧、掉头,表现得十分灵活,最终安然落地。

“研制仿生飞鱼无人机,并让其飞上蓝天,是一件激动人心的事。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重要价值。”沈海军表示。

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