文档介绍：飞鱼课题说明书
负责人:孟利强
指导老师:邱克
2009年4月3号
设计课题名称:飞鱼
设计课题内容:扑翼式浮空飞行器。
设计原理:应用仿生学原理,将浮空飞行器与鱼在水中的游动方式相结合,取消常见飞艇用于推进的螺旋桨,在浮空式艇身的两侧加装类似于鳍的推动设备,靠电动机提供动力,依靠单片机与步进电机相结合的方式调整鳍的运动,从而实现艇体在空中的各种运动。而艇身的整体控制通过地面人员的遥控实现。
设计点:众所周之,鱼类在水中的灵活性不容置疑。而实现鱼类灵活运动的生理结构就是鱼的鳍。而自然界中几乎所有的靠流体力运动的生物都是采用扑翼式推动(如水中的鱼,空中的鸟,飞行的昆虫等),螺旋桨是推动完全是人类特有的依靠流体运动的推动方式,我们不禁要问,为什么自然选择没能够挑选出考螺旋推动的大型生物呢?原理就在于靠扑翼式推动是唯一一种能够在短时间内对力矩及受力情况做较大的变动的方式,从而使其具有较高的机动性,才能在自然选择中得以生存。由此可见,扑翼式结构具有与生俱来的优势。但受限于复杂的机械传动结构,较高的材料要求和较低的稳定性,扑翼飞行器一直未能成品化。本设计利用仿生学原理,抛弃扑翼设计中最难解决的依靠扑翼提供升力地方法,而是采用传统的浮空式原理提供升力(其设计点来自鱼靠自身浮力提供在水中的升力),扑翼结构只为设备提供向前的推力和转向的力矩(类似于鱼的尾鳍和边鳍)从而大大简化了材料要求和机械机构的复杂性,同时实现了飞行器在较低的速度下可以实现较大的转弯的性能。
设计目的及市场价值:本设计为验证性设计,目的在于验证新的推动方式的空气动力原理及效果。为以后的设计做技术铺垫。本设计以其较为独特的外形设计,可用于庆典及大型活动的表演。同时依靠其优于传统飞机的长留空性和优于传统飞艇的高机动性,可作为未来介于飞艇及飞机之间的中间飞行器的技术验证。
设计说明
艇体部分的设计
艇体尺寸的选择及外形的确定。
(1),材料:根据设计初衷,艇体两侧应加装鳍,所以对艇体的材料强度有一定的要求,同时受质量限制,艇体质量又不能过大,。
(2),外形尺寸:预计安装的设备重量和艇体重量估算值M= 7KG 初步设计艇体浮空体积V=6m左右,为保证设备失控时的回收,F浮<G所以,
艇体的体积V> 6m3, 根据实际计算,V艇=
受浮空需要,艇体的外形应遵守飞艇设计流线型公式,艇体前半部分应遵守公式
+=1 +=1
艇体后半部分遵循公式
根据体积要求计算的L= m R= 艇体外形曲线遵循上面两公式
艇体实际浮空体积的矫正。根据上式,艇体的实际体积V= 实际产生浮力F=
*=(所充气体为氢气)*=(所充气体为氦气),
艇体的长径比k=,=
3,艇体风阻的计算:假设为微风条件,即风速小于2米每秒,艇体迎风面近似认为为圆面,或略气体粘滞性,艇体阻力F阻=艇体的外形及尺寸如图
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鳍传动结构的设计。
原始方案,(即模型验证方案)
鳍整体结构的设计:
为实现推动艇体运动的力,鳍结构设计如图1
图一鳍结构三维图
鳍结构实体图
2,鳍的推理产生的设计:为了实现其摆动时能够推动艇体前进,鳍向前摆动和向后摆动时必须存在空气压力差,以便能够推动艇体前进。根据上式,艇体在无风情况下受到的阻力F= ,初步设计鳍外探部分的长度L=1000mm,张开摆动时,张开角α=60度,闭合摆动时,张开角β=20度,则张开和闭合过程中翼型的面积差Δs=1/8*πr=390000mm,两个鳍的种面积差ΔS=2*390000=780000mm,根据设计要求,鳍的摆动过程应连续可调,其最低摆动速度为0,最高摆动速度为2次/秒,即摆动频率为2HZ,则在最快情况下,其能够产生的推力F推= ,而艇体在静风(即风速小于2m/s时)的阻力F阻= F推>>F阻,即飞艇的扑翼结构满足推动艇体前进的最小要求,
3,鳍开和结构的设计:为实现鳍向前摆动和向后摆动时的阻力差,其必须设计成开和结构(原理及运算情况如上),为实现鳍的可控开合,其采用平行四边形连杆机构,靠步进电机控制器开合平行四杆机构的结构如图。
平行四边形杆件的边长Ls= 50mm 完全张开时牵引端距转轴的距离Lk= 完全闭合式牵引端距转轴的距离Lb= 两端的距离差ΔL= ,即牵引端的移动距离为
鳍的牵引采用步进电机程序控制步进电机选用五线电机,采用单片机控制,其线路图和程序参见附录一,二
4鳍摆动的控制:
为了使鳍能够产