Il contratto aerodinamico tra sollevamento e trascinamento in robot di flapping

I robot ala flapa e i micro veicoli a aria (MAV) ridefiniscono il volo a scale dove l'aria si sente spesso e instabile forze di resistenza dominano. Mimicking la cinematica ala di insetti, uccelli e pipistrelli, queste piattaforme raggiungono una manovra straordinaria in spazi confinati e bassi livelli di recidivamento-numero di reggimenti - che vanno da 102 a 104 - dove i progetti convenzionali a vela o a rotazione lotta per produrre a forza di sollevamento

Solleva e trascina a scale microscopiche: un insieme differente di regole

In volo su larga scala, l'ascensore viene da fluido liscio, collegato il flusso d'aria su un profilo camberato, e trascina è una combinazione relativamente prevedibile di indotte, parassita e componenti d'onda. Ma quando le ali si restringono a centimetri o millimetri abbracciano e battono a centinaia di hertz, la fisica cambia fondamentalmente.

Il kit di strumenti di generazione di ascensore instabile

Per afferrare l'accoppiamento a trazione, bisogna prima capire i quattro principali meccanismi instabili che sfruttano le ali, ogni meccanismo offre un bonus di sollevamento, ma ognuno porta anche una firma di trascinamento distinta.

Guarnizione con molla (LEV)

Quando un'ala di leva passa attraverso l'aria ad un'alta angolazione di attacco, il flusso si separa al bordo principale e si rotola in un vortice concentrato che rimane inevitabilmente attaccato alla superficie superiore dell'ala.

Chiusura e chiusura

Molti degli insetti volanti più piccoli, gocce, mosche di frutta e alcuni scarafaggi, usano un colpo di clap-and-fling per produrre sollevare molto oltre ciò che l'aerodinamica costante permette. Le ali si bloccano insieme alla parte superiore del upstroke, espellendo l'aria dal gap, poi fling, disegnando in nuovo fluido e creando un paio di vortici controrotanti che rapidamente costruiscono la circolazione.

Capture di sveglia

In caso di inversione di corsa, un'ala di lembo passa attraverso la scia turbolenta sinistra dal precedente mezzo-forte. Se l'angolo di ala e il tempo sono adeguatamente sintonizzati, può recuperare alcune dell'energia cinetica immagazzinata nei vortici di wake, aumentando l'ascensore durante la prima parte del nuovo ictus. Questo meccanismo di "wake cattura" può aumentare l'alzo netto per ictus da 10-15% ad alta frequenza.

Sollevamento rotante e effetti di massa aggiunti

Come l'ala prona (twists downward) alla fine del upstroke e supinates (twists verso l'alto) alla fine del downstroke, sperimenta cambiamenti di circolazione rotazionale che forniscono picchi di sollevamento aggiuntivi. Questo è conosciuto come il meccanismo di sollevamento rotazionale ed è analogo all'effetto Magnus su un cilindro rotante.

Decostruire il Drago in volo di Flapping

Trascinare in un'ala ribaltabile MAV non è una singola forza resistiva ma una collezione di componenti, sensibili a diversi aspetti del movimento e della geometria dell'ala.

Pressione e forma Drag

Poiché le ali a lembo funzionano ad angoli alti di attacco e bassi numeri di Reynolds, il flusso viene solitamente separato su gran parte dell'ala. La differenza di pressione risultante tra le superfici anteriori e posteriori crea un trascinamento di forma, che si bilancia con l'area proiettata dell'ala e il quadrato della velocità locale. Durante il downstroke, quando l'ala si muove più veloce e ad alta angolo, la forma trascina può essere più grande di qualsiasi altro componente di trascinamento della rete.

Drago indotto da Vortex Wake

Ogni ala di ribaltamento produce un downwash: un impulso verso il basso impartito all'aria per contrastare il peso del veicolo. Questa resistenza indotta è la minima potenza sopraelevata richiesta per la generazione di sollevamento in hover. Per le ali di ribaltamento, il coefficiente di trascinamento indotto è inversamente proporzionale all'aspetto rapporto. Tuttavia, perché vincoli strutturali spesso costringere le ali MAV ad essere brevi e larghe, la resistenza indotta può essere il doppio come quella di un volo fisso equivalente.

Drago di frazione della pelle

Alla scala millimetrica, lo strato di confine è spesso rispetto al contorno di ala, e le sollecitazioni viscose della cinghia sulla superficie dell'ala diventano una frazione significativa di trascinamento totale—spesso 20-30% per le ali ultra-thin. I ricercatori hanno esplorato i rivestimenti superidropobici e i modelli di riblet per ridurre l'attrito della pelle, ma questi trattamenti sono difficili da applicare a piccole ali flessibili senza aggiungere peso o rigidità.

Profilo Drag

Per un'ala sottile a scatto zero, il profilo trascina un piano sottostante che non può cadere. La cinematica che mantiene l'ala vicino a zero lift per una grande porzione di colpo, come durante l'upstroke di alcune specie di insetti, può ridurre la resistenza media del profilo. Ma tali strategie riducono anche il sollevamento totale, quindi il rapporto globale L/Beest

L'accoppiamento: Perché ascensore e trascina sono due lati della stessa moneta

Il rapporto tra sollevamento e trascinamento del volo di patta non è un semplice compromesso lineare; è una dipendenza strettamente accoppiata che amplifica con intensità. Doubling della frequenza di ribaltamento, per esempio, aumenta la pressione dinamica di un fattore di quattro, che può quadruplicare il sollevamento dal LEV. Ma perché trascina le scale con il quadrato della velocità e l'incessante scala di massa aggiunto con accelerazione di crescita (che raddoppia anche con frequenza), il fattore di trascinamento

In hover, il numero di Strouhal (St = fA/U, dove f è la frequenza, A è ampiezza di ictus, e U è velocità di punta dell'ala media) è tipicamente intorno 0.25–0.35 per una produzione efficiente di sollevamento.

In volo in avanti, è necessario un leggero trascinamento tra la discesa e l'upstroke per produrre spinta netta. Alcuni MAV intenzionalmente introducono un'asimmetria trascinante utilizzando diversi camber ala durante ogni mezzo-forte. Questa tecnica, presa in prestito dal volo insetto, permette al robot di tradurre l'ascensore inchie in movimento in avanti, ma aumenta anche la resistenza totale.

Ingegneria del sollevatore-dilago anteriore

Mentre l'accoppiamento non può essere eliminato, può essere spinto verso l'esterno attraverso un design intelligente.

Flessibilità e Morphing passivi

Le ali flessibili realizzate con materiali compositi possono cambiare camber e twist sotto carichi aerodinamici, adattandosi automaticamente alle condizioni di flusso. Durante il downstroke, l'ala si piega in una forma più camberata che stabilizza il LEV e riduce l'angolo di attacco efficace, abbassando la pressione trascinata. Durante l'upstroke, l'efficienza dell'ala si appiattisce, riducendo la resistenza alla forma.

Ottimizzazione e controllo cinematico

Il sistema di controllo del sistema di rotazione del motore è molto più potente.

Controllo attivo del flusso

Alcuni MAV sperimentali incorporano piccoli getti sintetici o attuatori di scarica della barriera dielettrica vicino al bordo principale per stimolare lo strato di confine o per gettare LEV in momenti controllati.

Piani di ali Biomimetici

Le ali ad alto rapporto di aspetto riducono la resistenza indotta ma sono strutturalmente flessibili e richiedono ampie ampiezza di pattinaggio, che possono aumentare la resistenza della forma. Le ali a basso impatto sono rigide e mantengono le LEV stabili ma soffrono di elevata resistenza indotta. Le ali di Dragonfly, con la loro ampia sezione proximal e la punta distale stretta, offrono un compromesso: l'ampia radice supporta un forte LEV durante la crociera

Case Studies: Dove la teoria incontra la realtà ingegnerizzata

Diversi robot di riferimento illustrano come questi principi si traducono in prestazioni di volo effettive.

Harvard RoboBee[] – Pesando solo 80 milligrammi, questo robot su scala insetti utilizza due ali indipendentemente controllate da attuatori piezoelettrici. La cerniera ala è progettata per sfruttare la risonanza strutturale, amplificare l'ampiezza dei colpi senza aumentare la potenza di picco dettagliata.

DelFly Nimble[ – Questa ala senza coda alettante MAV utilizza una configurazione a forma di diamante a X-wing e ha dimostrato un'agilità straordinaria, tra cui a 360 gradi flips e aggressivi divergenti potenza. I suoi progettisti hanno calibrato la forma di ala e la flessibilità per mantenere un L/D sopra 4 attraverso una vasta gamma di velocità in avanti.

DARPA Nano Air Vehicle (Nano Hummingbird) – Costruito da AeroVironment, questo robot da 19 grammi utilizza due ali a ribalta in una configurazione di battitura e trasporta la propria batteria, fotocamera e avionica. La sfida ingegneristica era quella di bilanciare e trascinare per raggiungere una velocità di 11 mph mentre supportava 8-12 minuti di volo a scorrimento.

Metodi computazionali ed sperimentali per la valutazione dell'accoppiamento

Gli strumenti di analisi moderni hanno approfondito la nostra comprensione delle interazioni tra sollevamento e trascinamento. I risolutori di fluidi computazionali (CFD) di confine possono risolvere la scia di vortice tridimensionale e la distribuzione istantanea della pressione su un'ala di ribaltamento con milioni di punti di griglia. Queste simulazioni permettono agli ingegneri di eseguire spazza parametrici sulla forma dell'ala, sulla rigidità e sulla cinematica di ribaltamento, identificando il fronte Pareto dove l'elevatore è ottimizzato.

Frontiers: L'agenda incompiuta

Nonostante i progressi significativi, il passaggio a falde rimane l'ostacolo centrale verso le pratiche alette a ribalta MAVs. Tre frontiere attirano un'attenzione intensa della ricerca.

I materiali avanzati e la fabbricazione – Le ali multimateriali con rigidità classificata, i sensori incorporati e i micro-attuatori potrebbero consentire la trasformazione della forma in tempo reale che mitiga dinamicamente la resistenza.

Controllo Aerodinamico a basso carico con Machine Learning[ – I futuri MAV probabilmente incorporano la forza di bordo che rileva tramite micro estensimetri o sensori di pressione incorporati nella superficie dell'ala. Un agente di apprendimento di rinforzo che corre su un apposito co-processore potrebbe quindi regolare la cinematica di ribaltamento in tempo reale per ridurre al minimo il trascinamento mantenendo un prototipo di comando di un volo chiuso.

[LT:0] Il rapporto di tre dimensioni e di tre dimensioni della funzione di sollevamento della striscia – La maggior parte dei modelli attuali si basa ancora sulle approssimazioni della striscia quasi-sosta o bidimensionali. I veri effetti tridimensionali—il flusso del flusso del drago lungo il LEV, la punta del vortix roll-up e l'interferenza del corpo ala-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-and-Head-Sour-Sour-Soury non sono ancora completamente catturati-Sy modelli.

Mentre le densità di energia della batteria migliorano e si restringono l'elettronica leggera, l'enfasi nel design dell'ala di ribaltamento MAV si sposta dal semplice ottenere l'aria per raggiungere operazioni pratiche e di lunga durata. In questo contesto, ogni milliwatt salvato attraverso un migliore rapporto di sollevamento-razza diventa un attrezzo di missione.

Conclusioni

Il rapporto tra sollevamento e trascinamento dei robot ala battente e dei micro veicoli a aria è uno dei meccanismi intrinseci di aggancio, governati da aerodinamica instabile a numeri bassi di Reynolds. L'elevatore è generato attraverso meccanismi come il vortice principale, il clap-and-fling, e la cattura della sveglia, ma ogni meccanismo porta una tassa di trascinamento che scaglia senza linea con gli stessi parametri cinematici—frequenza, ampiezza, tempi di ampiezza, tempi di rotazione