● 摘要
雨燕是飞行最快、飞行机动性最好、飞行时间比例最高的陆鸟。本论文以雨燕无动力滑翔飞行、拍翅和挥翅动力平飞、起飞、降落以及平飞转弯、急停转弯等飞行状态的观察为基础，设计了基于雨燕翅膀形态的微小型飞行器（MAV）布局——swift wing。通过低速风洞测力、油流显示和水槽氢气泡流动显示实验等方法对仿雨燕微小型飞行器气动布局的特性和流动机理开展研究，揭示鸟类飞行机理，丰富仿生研究的领域，为微小型飞行器的研制探索新的途径。论文的主要创新点如下：1. 首次考虑机翼局部掠动的影响，引入局部掠动加权因子，对前人的方法进行改进，得到了对升力系数线性段斜率较为准确的估算方法（文中式（3.7）），用这一方法得到的结果与本文实验测量结果符合得较好，他人已有的实验结果也证实了这一方法的有效性。2. 系统地给出了雨燕翅膀各段上的特征绕流结构随局部前缘掠角和攻角的变化以及各翼段流动的相互影响。在各翼段中hand-wingin是主要影响翼段，主宰平面swift wing的翼面特征绕流结构和气动载荷，在其上发现了螺旋流和前缘涡流动；swift wing的各翼段同向掠动时，有助于翼面有利流动的形成和大攻角特性的改善。水槽流动显示还发现在一定攻角下，hand-wing大后掠的swift wing上存在双前缘涡流动结构。3. 揭示了柔性小变形在鸟类飞行中的重要意义，柔性小变形具有增升减阻的效果，能够提高最大升阻比，显著改善平面和非平面swift wing的巡航效率（使基本swift wing最大升阻比增加约50%）；增大中高升力系数和最大升力系数（使平面swift wing最大升力系数增长20% ），改善大攻角飞行性能。4. 刚性swift wing最独特的气动特征是其升力系数曲线出现两次失速，其中第一次失速与翼面非集中螺旋分离区的出现有关。Swift wing的hand-wing掠动、上反/下反和柔性变形都会减缓甚至消除升力系数的第一次降低，因此在雨燕的真实飞行中，小攻角下升力降低的现象极有可能不会发生，但是这一现象在仿雨燕MAV气动布局设计中应引起重视。5. 本文还分析了swift wing局部前缘掠角、上反角对MAV布局升力、阻力以及俯仰力矩等气动特性的影响，并解释了雨燕在滑翔、动力平飞、起飞、降落和急转弯等不同飞行状态中翅膀形态的变化。雨燕进行滑翔等小攻角飞行时，翅膀选择平直形状，具有较高的升力系数斜率以及最优的气动效率和最大升阻比，从而保证滑翔性能最优；动力平飞时翅膀的大后掠变化和非平面变化能产生较大的最大升阻比，非平面变化还能优化气动效率，因而有助于增加飞行距离和时间；在起飞、降落以及急停转弯机动飞行中，翅膀中高后掠和上反/下反，能够提高最大升力系数并显著推迟失速，以保持大攻角飞行时的机动性能。仿雨燕MAV布局可以借鉴不同飞行状态中雨燕翅膀形态的变化，实现可变形MAV设计以适应不同飞行状态的需求。6. swift wing的hand-wing或hand-wing out不对称掠动能够在横航向交互影响较小的情况下产生显著的滚转力矩，通过这种方式可能实现低速飞行中MAV快速且易于控制的滚转机动。