这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的学术报告：

主要作者及机构

本研究的作者包括Dawei Bie、Daochun Li∗、Jinwu Xiang、Huadong Li、Zi Kan和Yi Sun，均来自北京航空航天大学航空科学与工程学院。该研究发表于期刊《Aerospace Science and Technology》2021年第112卷，文章编号为106557。

学术背景

本研究的主要科学领域是仿生飞行器设计，特别是基于蝙蝠仿生的无尾扑翼无人机（Unmanned Aerial Vehicle, UAV）的设计与测试。蝙蝠作为一种具有高效飞行能力的生物，其独特的无尾结构和柔性翼膜为无人机设计提供了新的灵感。近年来，仿生扑翼无人机的研究逐渐成为热点，但大多数研究集中在昆虫或鸟类仿生上，蝙蝠仿生的研究相对较少。本研究旨在填补这一空白，设计并测试一种基于蝙蝠仿生的无尾扑翼无人机，探索其在户外环境中的飞行性能。

研究的背景知识包括蝙蝠的生物学特征、扑翼飞行的空气动力学原理以及计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）在飞行器设计中的应用。研究的目标是通过仿生设计、空气动力学分析和实际飞行测试，验证无尾扑翼无人机在户外环境中的稳定飞行能力，并为未来的研究提供新的设计可能性。

研究流程

本研究包括以下几个主要步骤：设计、空气动力学分析、原型制造和测试飞行。

1. 设计
   无人机的设计基于大狐蝠（Large Flying Fox）的生物学数据，采用无尾结构，翼展为1.68米，总质量为289克。翼面分为内翼和外翼两部分，以模拟蝙蝠飞行时内外翼的不同扑动幅度。扑动机构采用二自由度（2-DOFs）的旋转-球面-球面-旋转（Revolute-Spherical-Spherical-Revolute, RSSR）系统，以反映蝙蝠的扑动姿态。

2. 空气动力学分析
   基于CFD方法，研究分析了无人机在设计巡航速度下的空气动力学特性。分析变量包括攻角（Angle of Attack）和扑动频率（Flapping Frequency）。CFD模拟采用ANSYS Fluent软件，计算域为圆柱形，网格总数为180万。模拟中考虑了不同攻角（2°至10°）和扑动频率（3 Hz至7 Hz）下的升力特性。通过动态网格技术，模拟了扑翼运动的瞬态空气动力学。

3. 原型制造
   根据设计参数，制造了无人机的原型。机身和翼骨架采用碳纤维复合材料，翼膜采用聚酯纤维材料。机载设备包括无刷直流电机、电子调速器、飞行控制器、信号接收器和两个用于控制舵面的执行器。原型总质量为289克。

4. 测试飞行
   在户外环境中进行了测试飞行，使用机载飞行数据记录器（Flight Data Recorder, FDR）记录飞行速度、俯仰角（Pitching Angle）和三维位置等数据。测试飞行表明，无人机能够在6.8 m/s的飞行速度、4.1°的平均攻角和3.7 Hz的扑动频率下实现稳定的圆形航线巡航。飞行续航时间可达5分钟。

主要结果

1. CFD分析结果
   CFD模拟表明，无人机的升力随攻角和扑动频率的增加而增加。在攻角为2°至10°、扑动频率为3 Hz至7 Hz的条件下，无人机能够产生足够的升力以支持巡航飞行。模拟结果与测试飞行数据吻合良好，验证了CFD模型的有效性。

2. 测试飞行结果
   测试飞行数据显示，无人机能够在户外环境中实现稳定的圆形航线巡航。飞行速度、俯仰角和扑动频率与CFD模拟结果基本一致，证明了无尾扑翼无人机设计的可行性。

结论

本研究成功设计并测试了一种基于蝙蝠仿生的无尾扑翼无人机，验证了其在户外环境中的稳定飞行能力。研究结果表明，无尾结构在扑翼无人机设计中具有潜在优势，为未来的仿生飞行器研究提供了新的设计思路。此外，CFD模拟在无人机设计初期的应用证明了其有效性，为后续研究提供了可靠的分析工具。

研究亮点

1. 新颖的设计
   本研究首次将蝙蝠的无尾结构应用于扑翼无人机设计，突破了传统扑翼无人机的结构限制。

2. 全面的分析
   通过CFD模拟和实际飞行测试，研究全面分析了无人机的空气动力学特性和飞行性能，验证了设计的可行性。

3. 实际应用价值
   该无人机能够在户外环境中实现稳定飞行，具有较高的应用潜力，特别是在环境监测、侦察等领域。

其他有价值的内容

研究中还提到，未来可以通过调整扑动频率和攻角，进一步提高无人机的有效载荷能力，这为其在更多实际应用中的使用提供了可能性。此外，研究中对CFD模拟方法的验证也为其他仿生飞行器的设计提供了参考。

通过本研究，仿生扑翼无人机的设计迈出了重要一步，为未来的研究和技术发展奠定了基础。