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微型飞行器:像昆虫那样飞

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鸟儿善飞,人所共知,但小小的飞行昆虫更是名副其实的“飞行家”。试想,微小的身体能够迎风飞行,那得需要自身产生多大的推力!不仅如此,悬停、倒飞、急转,更是它们的绝活。当科学家对它们进行仿生研究后惊叹:仿昆飞行将引发航空科学的巨大进步。

悬停直升倒飞……昆虫飞行很有特点

辽宁日报:人们一直以来把鸟儿看作是“飞”的象征,不断地对鸟儿的生理结构和飞行原理进行研究,并借助现代科技手段成功研制成各种飞机,实现了飞行的梦想,但我们也注意到,除鸟儿以外许多飞行昆虫的飞行也很有特点,您是研究昆虫飞行原理的专家,首先想请教您的是,飞行昆虫,比如蜜蜂、苍蝇、蜻蜓等与鸟儿的飞行比,有什么特点?

孙茂:这些昆虫身体微小,飞行速度较鸟儿要慢得多,但是如果我们细心观察就会发现,它们有着鸟儿飞行所不具备的一些特点,如悬停、直升、加速猛冲以小于自身长度的半径转弯等,某些苍蝇能倒着起飞、倒着降落,也就是说,从飞的形态和特点上来说,其机动性和灵活性方面有着鸟儿无可比拟的优势。

辽宁日报:这是否就是我们要研究昆虫飞行的缘由?

孙茂:是的,不要小看了昆虫的慢速飞行以及悬停、直升,这里面蕴含着与鸟儿不一样的飞行机理,非常奇妙,比如,基于传统的空气动力学理论的计算发现,果蝇翅膀的最大升力系数只有约0.6,单就这个力的大小来说,不够平衡昆虫的重量,更不能提供机动飞行所需的附加气动力。也就是说,用传统的理论不能解释昆虫飞行这一现象,它们自己有一套飞行中产生和控制空气动力的机制。

辽宁日报:有的鸟儿可以翱翔,而昆虫却不能。

孙茂:就飞行机制来说一般有两种,一种是翱翔,一种是通过拍动翅膀(扑翼)来产生飞行的力。有些大鸟可以利用上升气流从而不费力地滑翔,而昆虫飞行却完全靠扑翼,所需空气动力主要来自往复扑动的翅膀与周围空气间的相互作用。而同样是扑翼,鸟儿的扑翼和昆虫的扑翼也是不同的。

辽宁日报:提到拍动翅膀,我们首先会想到的是鸟儿和飞行昆虫的翅膀是不同的,它们是否在利用翅膀方面有所不同?

孙茂:鸟儿的翅膀有羽毛,相对面积较大,而且能够收展伸缩、弯曲成弧,这样的翅膀上下扇动就会产生较大的推力,使鸟体快速向前飞行;鸟,特别是大鸟,产生的空气流动近似是恒定的,我们称为准定常流;而昆虫的翅膀由膜质表皮构成,有翅脉,似两层薄纸夹着支棍的风筝构造,这样的翅膀大小恒定,略显僵硬,但可以作一定角度的旋转,也正是由于这个功能,翅膀可作上、下、前、后的高速拍动,这种拍动,产生了鸟儿所不能的飞行特技,创造了一个更复杂的空气动力机制,从飞行仿生角度来看,会给我们更多的启示。

昆虫翅膀快速旋转、拍动,靠“涡”飞行的机制给我们以启示

辽宁日报:既然我们要研究昆虫飞行、研究仿生,首先有一个问题,就是要对它的飞行有一个观测,那么如何对这个“细微”的飞行实现观测?

孙茂:飞行要借助空气,所以我们运用流体力学理论来研究它的飞行,观测的方法是将要观测的昆虫置于箱子里(称为“飞行箱”),用高速摄像机记录下其飞行状态,然后进行图像处理和图像分析,有了昆虫的运动学数据后,再用空气动力学进行研究和计算。

辽宁日报:通过科学研究,我们发现昆虫飞行时翅膀的拍动到底有什么特点?

孙茂:昆虫要想在空中不“掉下来”,就要有一个平衡重量的升力,而要想飞行,至少还要有一个克服身体阻力的推进力,那么我们就来看看这两个力是如何形成的。许多昆虫飞行时,其翅膀可视为一个平板,在一个向前倾斜的平面内高频率地拍动,较大的昆虫(例如蜻蜓)翅膀每秒钟拍动20~30次,十分小的昆虫可达500~600次。我们以果蝇为例,它在中快速飞行中,翅膀向前下方拍动时,产生一小的推进力和一较大的举力,之后,翅翻转,向后上拍动,产生一小的升力和一较大的推进力,就这样,翅膀通过转动改变其方位角来维持往复拍动,产生大小不断变化的举力和推进力,以至利用这些力来实现各种飞行行为;另外,我们发现在不同阶段,它还通过三种巧妙的方式产生了高升力,拍动初始阶段,通过翅的拍动快速加速以产生升力;翅在启动后通过周向转动和变形,产生较大的升力,在拍动结束阶段,翅的快速上仰运动产生升力。

辽宁日报:力是产生了,但您刚才也提到一点,产生这个力是否足够大、是否能支撑飞行?

孙茂:简单的上下扑动显然是不可能产生有效的升力的,奥秘就在于翅在扑动过程中发生扭转。昆虫的翅往往具有一定的柔性和弹性,在振动过程中受力的作用将发生变形,翅根部的肌肉张紧使翅内旋或外旋,这样就会形成连续、高速、旋转式的拍动,使空气的气流形成一个流体的“涡”,具体说,它们在小拍动幅角前飞时,翅膀向前拍动后形成一个比较完整的涡环,翅膀向后拍动后形成一个不完整的涡环,这样,多次拍动形成头尾相接的“Z”形涡环链。该涡环随时间扩大,这就是物理学上的“非常定流”;而这个“涡”产生的力是很强大的,我们可以形象地想一下龙卷风、江河里的漩涡等,就会有所体会。当然,动物界类似的“涡”还有许多,如鸟类水平向前飞行时的尾涡、鱼类的胸鳍快速游动时形成一串连接在一起的涡环,这些涡对飞、对游都产生了巨大的动力。

辽宁日报:昆虫特有的悬停飞行是否也是这个涡在起作用?

孙茂:是的,蜜蜂、果蝇在悬停飞行时,拍动平面是水平的(没有向前飞时的斜角),向前拍动和向后拍动的阻力大小相同但方向相反,拍动一周期中的平均值为零,因而,翅膀上平均气动力是垂直向上的,其平衡昆虫身体重量,而且它们不断地调整其翅膀的拍动幅度、翅膀迎角等来进行有效的控制,形成动态的稳定。

各国争先研制发展隐蔽、灵活的仿昆虫式微型飞行器

辽宁日报:看来,蜜蜂、果蝇的飞行,无论从动力机制、身体构造及飞行形态来说都是很奇特的,这对我们有什么启示?

孙茂:昆虫的飞行十分复杂和精妙,在构造形态、运动方式、利用空气动力等方面,达到了完美的程度,这是经过数亿年的生物飞行过程,不断“实验”和“选择”的结果,是任何现有的人类飞行器无法比拟的,我们越研究就越觉得它们不简单,而现在的研究可以说只揭示了昆虫飞行理论的“冰山一角”,很多问题有待探索,但就是这 “冰山一角”,也为我们呈现出空气动力学的一个崭新的领域和境界。而大自然给我们设定了一个理想的飞行状态,那么我们就要用科学手段去认识这个飞行的奥秘,使飞行理论有所突破,同时希望能像昆虫那样飞行,当然并不是人自身,而是从仿生学的角度,制造出一种机械的微型飞行器,完成昆虫式的飞行。

辽宁日报:多大尺寸的飞行器可称为微型飞行器?微型飞行器必须要模仿昆虫吗?

孙茂:模仿鸟的大型飞机早已研制成功,技术相对成熟,微型飞行器(MAV)是上世纪90年代出现的一种新型飞行器,最初尺寸为10厘米大小,但身躯变小的趋势越来越明显,目前甚至以制造蜜蜂大小的飞行器为目标。这种微型“飞机”并不是简单地把大飞机按比例缩小,大飞机飞行的空气动力原理根本对它不起作用,也就是说在空气动力原理、结构设计、动力系统、装置设备等多个方面与大飞机迥然有异,甚至可以说是全新的系统。要想完成这个系统,最关键的就是一套全新的空气动力学机制和机械微加工技术。在动力机制方面,飞行昆虫的结构和扑翼飞行机理正好为此提供了多方面有益的启示和解决关键技术问题的途径,科学家正深入研究和总结其规律及作用机理以指导微型飞行器的研制。

辽宁日报:据了解,西方发达国家对此十分重视,微型飞行器的研制已成为各国竞相发展的高科技领域,那么微型飞行器有怎样的用途?

孙茂:微型飞行器涉及流体力学理论、仿生学及机械设计、微加工、微动力、微能源、新材料、信息传输等多种高精尖技术,所以以微型飞行器为目标,在研发过程中必然带动这些学科技术的发展和飞跃。同时,就微型飞行器本身来说,其在军事上的意义十分巨大,可以想象,如果像蜜蜂一样大小和形状的飞行器投入军事,将给侦察、监控、电子干扰、生物制品携带等带来极大的便利,因为它们体积微小、隐蔽性好、灵活性高,极难为对方察觉,能对战争的胜负起到重要的作用。当然,基于这一特点,它也可以在民用的许多领域施展身手,比如医疗、通信、农业勘探、自然灾害和特种环境监测等。正因有着巨大的应用前景,微型飞行器一直受到各国的高度重视,比如在美国,从上世纪90年代末,已经实施多个微型飞行器研究计划,从事该项研究的高等院校和研究单位已达150余家,发展非常迅速,在很短时间内,就研制出一批性能优良的试验样机,并不断改进,在国际上处于领先地位。我国也正加紧昆虫飞行原理和微型飞行器的研究,这一研究受到国家科学计划的大力支持,但鉴于其艰巨性及重要作用,我们必须在昆虫飞行机理及微加工等方面,以百倍的努力来迎接这份挑战。

专家档案

孙茂 北京航空航天大学教授、博士生导师。流体力学研究所所长,流体力学教育部重点实验室主任。目前从事的研究领域为仿生流体力学,为微型飞行器提供气动布局和控制方式的新概念;兼任中国力学学会流体力学专业委员会副主任、教育部力学专业教学指导委员会委员等职。

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