仿生扑翼飞行器原理讲课教案.docx

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仿生扑翼飞行器原理
仿生扑翼飞行器原理
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
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仿生扑翼飞行器原理
仿生扑翼飞行器原理
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。
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。
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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。
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）。
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），
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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。
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