項(xiàng)目名稱： 微型飛行器的仿生流體力學(xué)研究

推薦單位： 專家推薦

項(xiàng)目簡(jiǎn)介： 本項(xiàng)目屬力學(xué)學(xué)科，主要研究昆蟲飛行的高升力機(jī)理，能耗機(jī)制及動(dòng)穩(wěn)定性，旨在為微型飛行器這一新型飛行器提供力學(xué)理論基礎(chǔ)，同時(shí)，為昆蟲的生物學(xué)研究提供力學(xué)依據(jù)。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)為：（1）揭示了二個(gè)非定常高升力的新機(jī)制：一是拍動(dòng)初期的快速加速效應(yīng)；二是拍動(dòng)結(jié)束階段翅膀的快速上仰效應(yīng)。指出它們與他人發(fā)現(xiàn)的不失速機(jī)制一起，構(gòu)成拍動(dòng)翅產(chǎn)生高升力的三個(gè)主要機(jī)制。（2）表明了影響不同昆蟲拍動(dòng)翅的氣動(dòng)力系數(shù)的主控參數(shù)為雷諾數(shù)（Re），Re在約100（翅長(zhǎng)約在1-2mm）以上的昆蟲，盡管尺寸相差數(shù)十倍，體重相差幾千倍，一般都是用上述三個(gè)機(jī)制產(chǎn)生氣動(dòng)力的。（3）表明了不同昆蟲的比功率（需用功率除以質(zhì)量）在20-40 W/kg之間，飛行的能耗隨飛行速度的變化關(guān)系近似為"J"形曲線，而不像飛機(jī)的那樣為U形曲線。（4）揭示了蠅、蜂等昆蟲懸停飛行的縱向擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)由三個(gè)特征模態(tài)構(gòu)成：不穩(wěn)定振蕩模態(tài)，快衰減模態(tài)，慢衰減模態(tài)；從而飛行是動(dòng)不穩(wěn)定的（其穩(wěn)定飛行是由主動(dòng)控制獲得的；這一結(jié)果可解釋昆蟲為何懸停得很平穩(wěn)，同時(shí)機(jī)動(dòng)性也很好）。

以上發(fā)現(xiàn)解決了仿昆蟲微型飛行器的力學(xué)基礎(chǔ)問(wèn)題：對(duì)高升力機(jī)理的認(rèn)識(shí)，可為仿昆蟲微型飛行器的研制提供如何確定拍動(dòng)翼幾何形狀，飛行器的重量和尺寸，拍動(dòng)翼的運(yùn)動(dòng)參數(shù)等方面的指導(dǎo)；關(guān)于能耗的認(rèn)識(shí)，可提供如何選擇動(dòng)力系統(tǒng)、確定續(xù)航時(shí)間方面的指導(dǎo)；對(duì)飛行動(dòng)穩(wěn)定性的認(rèn)識(shí)，為仿昆蟲微型飛行器的控制提供了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，這些認(rèn)識(shí)為昆蟲生理學(xué)、行為學(xué)、神經(jīng)生物學(xué)等的研究提供了力學(xué)依據(jù)。

關(guān)于高升力機(jī)制的結(jié)果，被國(guó)際著名刊物 J. Exp. Biol. 選入其Highlights in 2002，作為"突出成果"介紹；并被收入兩部外文專著中。關(guān)于昆蟲飛行的能耗的工作，被哈佛大學(xué)著名生物力學(xué)家 E. Tytell 在 J. Exp. Biol. 的評(píng)論專欄中撰文介紹。國(guó)內(nèi)外權(quán)威綜述、評(píng)論學(xué)術(shù)刊物的文章及一些著名刊物的綜述文章，多處介紹和引用了我們的成果。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)： 1．核心發(fā)現(xiàn)點(diǎn)

（1）揭示了二個(gè)非定常高升力的新機(jī)制：一是拍動(dòng)初期的快速加速效應(yīng)；二是拍動(dòng)結(jié)束階段翅膀的快速上仰效應(yīng)。指出它們與他人發(fā)現(xiàn)的不失速機(jī)制一起，構(gòu)成拍動(dòng)翅產(chǎn)生高升力的三個(gè)主要機(jī)制。（附件1-1）

（2）表明了影響不同昆蟲拍動(dòng)翅的氣動(dòng)力系數(shù)的主控參數(shù)為雷諾數(shù)（Re）， Re在約100（翅長(zhǎng)約在1-2mm）以上的昆蟲，盡管尺寸相差數(shù)十倍，體重相差幾千倍，一般都是用上述三個(gè)機(jī)制產(chǎn)生氣動(dòng)力的。（附件1-2及1-5）

（3）表明了不同昆蟲的比功率（需用功率除以質(zhì)量）在20-40 W/kg之間；飛行的能耗隨飛行速度的變化關(guān)系近似為"J"形曲線，而不像飛機(jī)的那樣為U形曲線。（附件1-3，1-4和1-5）

（4）揭示了蠅、蜂等昆蟲懸停飛行的縱向擾動(dòng)運(yùn)動(dòng)由三個(gè)特征模態(tài)構(gòu)成：不穩(wěn)定振蕩模態(tài)，快衰減模態(tài)，慢衰減模態(tài)；從而飛行是動(dòng)不穩(wěn)定的（其穩(wěn)定飛行是由主動(dòng)控制獲得的；這一結(jié)果可解釋昆蟲為何懸停得很平穩(wěn)，同時(shí)機(jī)動(dòng)性也很好）。（附件1-6）

2．其他重要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)

（1）認(rèn)識(shí)到微小昆蟲（Re在幾十，翅長(zhǎng)約在1mm以下的昆蟲），除上述三個(gè)機(jī)制外，還需要其它高升力機(jī)制；例如，微小昆蟲臺(tái)灣小黃峰是用"合擾/打開"機(jī)制，使升力較常規(guī)拍動(dòng)的大35%-40%。（附件1-9和1-10）

（2）發(fā)現(xiàn)蜻蜓飛行時(shí)前后翅的氣動(dòng)干擾并不強(qiáng)而且是有害的干擾。這一結(jié)論與人們一直猜想的"干擾作用很大并是十分有利的"不同。解釋了干擾弱的原因是：在拍動(dòng)中，后翅總是超前于前翅，從而兩翅避開了對(duì)方尾渦的有害干擾。（附件1-7和1-8）

（3）認(rèn)識(shí)到昆蟲前飛時(shí)，以及用傾斜拍動(dòng)平面懸停時(shí)（如蜻蜓），既用升力原理，也用阻力原理來(lái)產(chǎn)生平衡其重量的垂直力和克服身體阻力的推力，不像人造飛行器那樣，只用升力原理產(chǎn)生舉力與推力。（附件1-3，1-7和1-8）

（4） "小型"昆蟲（如果蠅）以及翼拍動(dòng)頻率較小的"中型"和"大型"昆蟲（如大蚊），能耗的主要部分用于克服氣動(dòng)力做功，肌肉的彈性儲(chǔ)能作用對(duì)比功率的影響很小；對(duì)于翼拍動(dòng)頻率較大的中型和大型昆蟲（如食蚜蠅），能耗的主要部分用于克服翼的慣性力做功，肌肉的彈性儲(chǔ)能作用會(huì)使比功率減少約30%。（附件1-5）

主要完成人： 孫茂

該項(xiàng)目各主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)均主要由本人做出；所提交的10 篇代表性論文中，所有的論文本人均為通訊作者，8 篇本人為第一作者。 本人在該項(xiàng)目研究中的工作量占本人工作時(shí)間的百分之九十。