仿昆虫微型飞行器设计参数对能耗影响研究

"仿昆虫扑翼微型飞行器设计参数对能耗特性的影响分析，周超，吴江浩，郭静晗。本文通过计算流体力学方法探讨了翼的运动参数和几何参数如何影响飞行器的能耗特性。研究发现，增大扑翼迎角、拍动幅度和频率会显著提高气动功率和总功率，且总功率与拍动幅度和频率的关系分别为平方和立方。材料的不同导致转动惯量变化，进而影响总功率。翼型厚度增加会增大转动惯量和惯性功率，总功率也随之显著增加。扑翼展弦比的增大主要通过气动功率的增加来影响总功率。而翻转时间、模式和转轴位置对能耗的影响相对不明显。设计上，选择合适的迎角、拍动幅度和频率，采用大展弦比且薄的翼型，以及轻质材料，并利用拍动中的负功存储和释放，可以优化飞行器的能耗特性，有利于实现持续飞行。关键词包括流体力学、微型飞行器、扑翼、能耗特性、计算流体力学。" 这篇论文深入研究了仿昆虫扑翼微型飞行器（MAV）的能耗特性，这是微型飞行器技术领域的一个关键问题，因为能量效率直接影响到飞行器的续航能力和任务执行能力。研究人员采用了计算流体力学（CFD）这一先进的数值模拟方法，以精确分析扑翼运动和几何设计参数对飞行器性能的影响。 首先，研究发现扑翼的迎角、拍动幅度和频率是影响能耗的重要因素。增大这些参数会显著提升气动功率，即飞行器在空气中产生升力所需的动力，同时也会增加总功率，即飞行器所有动力系统的能耗。具体来说，总功率与拍动幅度的平方和频率的立方成正比，这意味着微小的变化可能导致能耗的显著增加。 其次，扑翼材料的选择会影响转动惯量，进而影响总功率。不同的材料会带来不同的转动惯量，这直接影响到飞行器拍动翅膀时克服惯性的能量消耗。因此，选择轻质材料可以减少转动惯量，降低能耗。 翼型的厚度也是一个关键参数。较厚的翼型会增加转动惯量，从而增加惯性功率，即使气动功率增加，总体上也会导致总功率的显著上升。因此，为了优化能耗，应选择较薄的翼型设计。 此外，研究还指出，扑翼的展弦比（翼展与翼厚之比）对能耗有显著影响。增大展弦比主要通过增加气动功率来增加总功率，这提示设计师在考虑飞行效率时需要平衡展弦比与能耗的关系。 最后，尽管翻转时间、模式和转轴位置对能耗的影响相对较不明显，但这并不意味着可以忽略这些因素。在实际设计中，这些细节可能仍然是优化飞行器性能的关键点。 基于以上研究，设计仿昆虫扑翼微型飞行器时，应该综合考虑迎角、拍动幅度、频率、材料选择、翼型设计和翻转策略等因素，以实现最佳的能耗特性，延长飞行时间，提高任务执行能力。通过巧妙的设计和控制策略，如利用拍动过程中的负功存储和适时释放，可以在保持良好气动性能的同时，有效降低能量消耗，这对于微型飞行器的实用性和可持续性至关重要。