仿生扑翼飞行器原理

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仿生扑翼飞行器原理

一.扑翼飞行器简介

扑翼飞行器是区别于固定翼飞行器、旋转翼飞行器的另一类飞行器，其飞行原理直接来自自然界的鸟类和昆虫的飞行方式。与固定翼和旋转翼相比有明显的优势。与固定翼飞行器相比，它可同时将举升、悬停、推进等功能集中在一个扑翼系统中；与旋转翼飞行器相比，它的能量利用率更高，即可推进飞行，也可滑翔飞行，而且更灵活。

二.飞行器的飞行原理

传统飞行器大致可分为三类：一类是根据牛顿第二定律，即作用力与反作用力定律，获得空气的反作用力进行飞行的，包括各类固定、旋转、扑翼飞行器；第二类是阿基米德原理，获取空气的浮力进行飞行，如各类飞艇，热气球；第三类是根据动量守恒定理飞行的，如，火箭，宇宙飞船的飞行等。

由上可知扑翼飞行器的动力来源是空气对飞行器的反作用力。从简单飞艇入手，飞行器的上升原因是因为空气对其竖直向上的推力大于其自身的重力。要获得前进方向的运动必须还得有一个水平的推力，这样飞行器才能完成基本的飞行。比如固定翼飞行器，一般由引擎提供水平的推力，机翼在高速气流的作用下产生升力，再如直升飞机，由引擎提供升力，螺旋桨与水平面的夹角产生的分力作为推力。

综上所述，扑翼飞行器必须能同时获得空气对其在水平和竖直方向上的足够的反作用力，即升力和推力，才能完成简单飞行。

三.对鸟类飞行的分析

尽管人类对飞行器的研究有了辉煌

的成就，但是鸟类仍是地球上最棒的

‘飞行器’。这里以鸽子作为研究对

象。鸽子可以在前进方向上以任何角度

飞行，还可以从容的变化飞行姿势，随

时转弯，随意的起飞降落，同时飞行动

作可以清楚的观察。

鸽子的飞行主要归功于它灵活有力的翅膀和尾翼。下面我们将试着简单的说明一下鸽子的飞行原理。根据前面的飞行原理，鸽子的翅膀必须能产生竖直向上的升力和水平的推力（这两个力不一定是严格的水平和竖直）。

1.升力的产生：在这里我们先假设空气是静止的。鸽子的翅膀可以围绕身体作一定角度的摆动，向下摆动时翅膀展开，向上摆动时翅膀折叠成到V形，而且往返摆动的时间不相等（这个有待验证）。由于翅膀上下摆动时受力面积不同，从而导致翅膀上下摆动时的受力大小不同，向下摆动时空气对翅膀的反作用力F1（竖直向上）大于向上摆动时空气对翅膀的反作用力F2（竖直向下），

当F1>G时，产生向上的升力

连续的飞行动作是一个循环的过程，循环单元就是翅膀做一次上下摆动，向上摆动记作T1，向下摆动记作T2。

在t1时，产生向上的速度v，在t2时，f2和g会产生向下加速度，使v减小，鸽子减速上升直到速度为零，再下降，如果在没有降到初始位置前下一个循环开始，那么鸽子就可以在宏观上产生竖直向上的运动。

2.推力的产生：

水平推力是由气流方向对翅膀反作用力的水平分量提供的。若以向右为飞行前进方向，则当翅膀下摆时，翅膀截面与水平面呈一个锐角，翅膀上摆时，翅膀截面与水平面呈一个钝角，两种情况对应的空气反作用力方向相反，但都会产生一个与前进方向相同的推力，鸽子在水平方向前进。

鸽子的翅膀由骨架、肌肉、皮肤和羽毛组成。骨架较硬，肌肉羽毛相对有弹性。这是由于肌肉羽毛的弹性，使翅膀在摆动的时候翅膀的后沿一只跟随着前沿运动并一直滞后于前沿，因此翅膀截面会在翅膀上下摆动时与水平面的夹角产生近似互为余角的变化。

3.转向原理：

鸽子的转向种类很复杂，根据日常生活的观察，有大半径转向、小半径转向、在滑翔中转向，在飞行中转向。这些转向都依靠翅膀的不对称摆动、尾翼转动和展合以及躯干扭动的相互配合而实现的，鸽子具体是如何通过控制这些器官来实现转向，这个过程复杂我们也无法解释，但可以抓住主要因素，从原理上简单的进行分析。

我认为鸽子的转向主要依靠翅膀的不对称摆动实现。按性质可分为动力转向和阻力转向。

1.动力转向：翅膀的不对称摆动可以为飞行提供不对称的动力和阻力，假设鸽

子在水平面飞行，空气相对静止，如果两侧翅膀提供的推力不同，就会使两侧翅膀上产生的速度不同，从原理上说翅膀提供了一个与鸽子前进方向有一定夹角的力，我们知道如果物体受力的方向与运动的方向不共线，那么该物体就会作曲线运动，因此鸽子会转向

2.阻力转向：如果鸽子在滑翔中控制翅膀的形状，使翅膀左右的阻力不相等，

那么就会产生一个和前进方向不共线的阻力，也会使鸽子转向。