微型飞行器的仿生力学-昆虫飞行的力学机理

微型飞行器的仿生力学－微型飞行器的仿生力学－微型飞行器的仿生力学微型飞行器的仿生力学昆虫飞行的力学机理昆虫飞行的力学机理昆虫飞行的力学机理昆虫飞行的力学机理北京航空航天大学北京航空航天大学流体所流体所北京航空航天大学北京航空航天大学流体所流体所孙孙茂茂飞得更快〈跨大气层空天飞行器〉更机动更机动（俄（俄SuSu--4747，第五代战斗机，，第五代战斗机，大攻角大攻角更机动更机动（俄（俄SuSu4747，第五代战斗机，，第五代战斗机，大攻角大攻角超机动性能，超声速巡航能力）超机动性能，超声速巡航能力）更隐身（（典型飞机的典型飞机的RCSRCS对比对比））更节能，噪音更小，更环保更节能，噪音更小，更环保(Boeing(Boeing787:787:Mach0.85,madeofcarboncompositeMach0.85,madeofcarboncomposite(g(g,p,pmaterial,lighter,fuelefficient)material,lighter,fuelefficient)分米量级厘米量级更小更小－－－－微型飞行器微型飞行器(MAV)(MAV)(20(20世纪末，各种先进微型制造技术、微机电系统、世纪末，各种先进微型制造技术、微机电系统、微电子技术和微型体化技术有了迅速发展微电子技术和微型体化技术有了迅速发展MAVMAV))微电子技术和微型一体化技术有了迅速发展微电子技术和微型一体化技术有了迅速发展------MAVMAV。。))1998-20082008Aerovironment公司的“黑寡妇”美国海军实验室的MITE斯坦福大学的“Mesicopter”伯克利的“微机械飞虫”（MFI）斯坦福大学的“Mesicopter伯克利的“微机械飞虫”（MFI）Sander公司的“微星”加州工学院的“Microbat”ArecentprototypeoftheHarvardMicrobioticFly3cmwingspanTheHarvardMicroroboticsFly,3cmwingspan.TheHarvardMicroroboticsLab(2010.9)军事用途军事用途军事用途军事用途战场侦察战场侦察毁伤评估毁伤评估敌我识别敌我识别生化探测生化探测信息干扰信息干扰对地攻击对地攻击成千上万的MAV形成“云团”，可实施极有效的电实施极有效的电子干扰（电子战）还可以攻战），还可以攻击可载人的飞行器及其它目标器及其它目标（“火蚁战争”）。有军事理论家认为，MAV会改变未为，MAV会改变未来的战争模式。(2003年文)民用方面民用方面民用方面民用方面灾害监测灾害监测民用方面民用方面环境研究环境研究农业勘查农业勘查信中信中通信中继通信中继反恐缉毒反恐缉毒反恐缉毒反恐缉毒交通监控交通监控交通监控交通监控可见，MAV的发展在未来国家安全济建等方将起安全和国民经济建议等方面将起至关重要的作用已在世界范围至关重要的作用，已在世界范围内引起极大的关注内引起极大的关注。若采用传统气动布局和飞行方式若采用传统气动布局和飞行方式：低雷诺数下不能产生足够的升力（有如通常飞机在蜂蜜中飞行）；大气脉动速度与飞行速度同量级大气脉动速度与飞行速度同量级（有如巨浪中的小船）。（有如巨浪中的小船）。因而，应寻求空气动力学和飞因而，应寻求空气动力学和飞行力学的新概念。相同尺寸的动物：昆虫、尺寸小相同尺寸的动物：昆虫、尺寸小的鸟和蝙蝠，是飞行的佼佼者（movie），是大自然创造的“微型飞行器”在数亿年的飞行史中飞行器”，在数亿年的飞行史中，经过自然界的不断“实验”和“选经过自然界的不断实验和选择”，在运动方式，利用“新奇”择在用新奇的力学原理等方面，达到了完美的程度程度。MAV应向它们借鉴。蜂蝇快速转向5%秒转90度（北航张艳来拍摄）蜂蝇快速转向，5%秒转90度（北航张艳来拍摄）食蚜蝇悬停飞行（北航牟小垒拍摄）食蚜蝇悬停飞行（北航牟小垒拍摄）这就是有必要首先弄清动物飞行的流体力学和动力学机理行的流体力学和动力学机理。微型飞行器的仿生力学微型飞行器的仿生力学。。（（研究小动物飞行的力学原理研究小动物飞行的力学原理为为MAVMAV提供提供（（研究小动物飞行的力学原理研究小动物飞行的力学原理，，为为MAVMAV提供提供新原理和新概念新原理和新概念，，谓之谓之MAVMAV仿生力学仿生力学））Gray-facedBuzzardOrvilleWright’s12mileflightonSept29th1905Oct5th–39kmin39minutes期的模仿大鸟气动布早期的飞机模仿大鸟（气动布局）WilburWrighttoOctaveChanuteDaytonMay13WilburWrighttoOctaveChanuteDaytonMay13thth19001900WilburWrighttoOctaveChanuteDayton,May13WilburWrighttoOctaveChanuteDayton,May13thth19001900““MyobservationoftheflightofbuzzardsMyobservationoftheflightofbuzzardsleadsmetobelievethattheyregaintheirleadsmetobelievethattheyregaintheirmygmyglateralbalance,whenpartlyoverturnedlateralbalance,whenpartlyoverturnedbyagustofwindbytorsionofthetipsbyagustofwindbytorsionofthetipsbyagustofwind,bytorsionofthetipsbyagustofwind,bytorsionofthetipsofthewings.Iftherearedgeoftheofthewings.Iftherearedgeoftheihtintipititdpdndthihtintipititdpdndthrightwingtipistwistedupwardandtherightwingtipistwistedupwardandtheleftdownward,thebirdbecomesanleftdownward,thebirdbecomesananimatedwindmillandinstantlybeginstoanimatedwindmillandinstantlybeginstoturn,alinefromitsheadtoitstailbeingturn,alinefromitsheadtoitstailbeing,g,gtheaxis.theaxis.””Flyingthe1900GliderFlyingthe1900GliderasaKiteasaKite梢梢翼梢小翼翼梢小翼昆虫飞行的昆虫飞行的流体力学和动力学原理（昆虫是怎样飞行的）工程（微型飞行器）程（微型飞行器）生物学人们身边常有昆虫飞过小的小人们身边常有昆虫飞过。小的，小米粒般大小；大的，比如蜻蜓，翅长般不过5厘米。它们能悬停、跃升、急停、快速加速和转弯快速加速和转弯。惊叹其高超飞行技能之余，不禁会惊叹其高超飞行技能之余，不禁会想，支持昆虫体重，甚至比体重大得多的力是如何产生的呢？为何飞得平稳又如此机动？事实上只是在最稳，又如此机动？事实上，只是在最近，科学家才对此问题有了一些了解。翅膀的拍动翅膀的拍动大蚊大蚊悬停飞行剑桥大学Ellington1984剑桥大学，Ellington,1984蜂蝇悬停飞行(北航，刘彦鹏拍摄,2004）翅膀拍动角翅膀拍动角身体欧拉角x)(3xxb1yx32,yy2x形态学参数体重重心1xbzbyExEy形态学参数：体重，重心位置,转动惯量，等等。21,zz3zExEzyzyz'xzx'y'o'OR拍动平面;拍动角(幅度Φ);扭转角(攻角α)；拍动拍动平面;拍动角(幅度Φ);扭转角(攻角α)；拍动频率（n）剑桥大学Ellit1984剑桥大学，Ellington,1984气动力如何产生气动力如何产生V尺寸：m尺寸：m速度：200m/s早期认为：与机翼，尺寸：mm旋翼桨叶产生升力的原理同尺寸：mm速度：1-3m/s原理同.u1uu2P2nlUlReuuuRePRe151.5机翼果蝇翼;风洞测量；CL1机翼7Re10风洞测量；(Vogel,JEB1966)C05Re100果蝇翼JEB,1966)0.5Re100051015200(deg)机翼，旋翼桨叶产生升力的原理高ReKutta条件i/U高Re，Kutta条件：sin/cUUdL儒氏定律：果蝇翅(Re=100;VogelJEB1966）;不能用相同原理果蝇翅(Re=100;Vogel,JEB,1966）;不能用相同原理CambridgeU.,g,EllingtonLab，（1984－）实物活体观测流动显示实物活体观测；流动显示CIT,DickinsonLab（1994）（1994－）模型模型；气动力测量气动力测量BUAA,NN--SSequationsequations)(R10222222uuupuwuvuuuzwyvxuBUAA,SunLab..1)(Re1)(Re222222222222zvyvxvypzvwyvvxvutvzyxxzyxt（1996－）)(Re1222222zwywxwzpzwwywvxwutwFWA数值模拟，涡动力学理论YO涡动力学理论；运动观测XSymmetricalplaneHWEllington，1996NatureDickinson，1999SScienceupstrokedownstrokeA15p-1-0.500.511.5-101u+t1718192021222324252627-1.5113grid1grid2BSunandTang,012CLgrid2grid3quasi-steadyCLg,JEB.,20021820222426-10dR004DCbfRRdRr1820222426-40CDbfRRdRrdddFfupstrokedownstrokeA15p-1-0.500.511.5-101u+t高升力（启动加速）1718192021222324252627-1.5113grid1grid2B-1-3012CLgrid2grid3quasi-steadyCL1-232311820222426-10(theendofacceleration)0.504DC翼加速使流体加1820222426-40CD翼加速，使流体加速，产生力upstrokedownstrokeA15高升力（启动后转动）p-1-0.500.511.5-101u+t高升力启动后转动1718192021222324252627-1.5113grid1grid2B012CLgrid2grid3quasi-steadyCL1820222426-1004DC1820222426-40CD动态特性和轴向流使涡不脱落动态特性和轴向流使涡不脱落，不失速upstrokedownstrokeA15p-1-0.500.511.5-101u+t高升力（翻转;快速上仰）1718192021222324252627-1.5113grid1grid2B-1-1012CLgrid2grid3quasi-steadyCL-212-312-21820222426-10-104DC-212-112-21820222426-40CD