扑翼原理

2007719

昆虫是世界上出现最早的、数量最多的和体积最小的飞行者。目前，地球上的昆虫有75 万种之多，鸟类有8 千余种。这些动物的飞行特点和技巧各有不同，但无一例外地都采用了扑翼飞行方式。昆虫和鸟类的扑翼飞行方式运动复杂，其机理尚未被人们完全认识和掌握。动物翅膀运动的雷诺数（Re）都很小，一般在10～10,000 之间。

实验结果表明，在定常气流中的动物翅膀将不能产生足够的升力供昆虫和鸟类飞行之用。显然，动物是利用非定常气流来产生高升力的。长期以来，生物学家和工程学家对昆虫和鸟类产生高升力的机理十分感兴趣。近年来出现的微型飞行器（MA V，Micro Air/Aerial Vehicle）有力地推动了昆虫和鸟类飞行中的流体力学问题的研究。

当鸟类在空中展翅滑翔时，其飞行原理与已有的固定翼飞机的相同。除此之外，扑翼飞行方式的空气动力学特性要比常规的固定翼飞机的和直升机的复杂的多。通过高速摄像机的帮助，人们观察到鸟类和昆虫的翅膀在往复扇动和拍打过程中，除了单纯的扇动之外，还伴随有相应的扭曲变形和旋转等运动类型。人类尚未采用的这些运动类型对鸟类和昆虫产生升力和作机动飞行是举足轻重的。

为了揭示扑翼飞行奥妙，人们提出了非定常气流理论，希望能够解释翅膀扇动及转动产生升力的原因。理论和实验结果表明，目前非定常气流理论尚不能够对扑翼飞行机理做出全面的解释。

昆虫和鸟类靠拍动翅膀来飞行。翅膀近似在一个平面内拍动，该平面称为拍动平面。这与直升机桨叶的旋转平面是相似的。直升机的桨叶是绕固定方向旋转，而昆虫是作往复式旋转。动物翅膀的拍动范围是用拍动角来衡量的，大多数动物的翅膀拍动角约为120度。

当悬停飞行时，拍动平面几乎是水平的。当翅膀向前拍动时，翼弦与拍动平面有一定的夹角（即攻角），从而产生升力；当翅膀向后拍动时，翅膀翻转过来，原来向前拍动时的下翼面变成了向后拍动时的上翼面，同样具有一定的攻角并产生升力。一个拍动周期中的平均气动力是垂直向上的。当前飞或后飞时，昆虫的拍动平面是向前或向后倾斜的，这与直升机的情况相似。

悬停飞行时的拍动平面是水平的，平均气动力是垂直向上的。前飞时的拍动平面是向前倾斜的。由于拍动平面向前倾斜，悬停时的向前拍动变成了前飞时的向前下方拍动，悬停时的向后拍动变成了前飞时的向后上方拍动。习惯上，各种飞行姿态的向前的拍动统一称为下拍，反之向后的拍动称为上拍（或上挥）；拍动平面内的运动称为“平动”（事实上是沿周向的往复运动），前后拍之间的翻转称为“转动”。

拍动中的“平动”可以分为三个部分：起始阶段的加速运动、中间阶段的等速运动和结束阶段的减速运动。拍动中的“转动”可以分为二个部分：下拍结束阶段与上挥起始阶段翅膀的向前转动，上挥结束阶段与下拍起始阶段翅膀的向后转动。拍动中的“转动”模式可以有三种：对称模式、超前模式和滞后模式。若转动的一半在上一个拍动的结束阶段完成，而另一半在下一个拍动的起始阶段完成，则称为“对称模式”；若将转动提前，转动的大部分在上一个拍动的结束阶段完成，而剩余的小部分在下一个拍动的起始阶段完成，则称为“超前模式”；若将转动推后，转动的小部分在上一个拍动的结束阶段完成，而其中的大部分在下一个拍动的起始阶段完成，则称为“滞后模式”。

昆虫和鸟类扑翼飞行的高升力机理研究与分析是基于某些昆虫和鸟类翅膀拍动的实验和理论计算得到的。不同的昆虫和鸟类，它们翼的形状、运动的雷诺数和拍动的频率可能不尽相同。只要扑翼运动的方式大致相同，则可以认为利用上述的机制和分

析结果来解释其升力机理。

在上述的分析过程中，均假设动物翅膀是一副刚性板，不考虑翅膀变形。这对某些小昆虫的情况是较为合理的，但对其它一些昆虫和鸟类的情况则有偏差。因为后者的翅膀在拍动过程中的变形是显著的，其影响程度有待进一步研究。某些昆虫有两对翅膀，对其升力的机理和对两对翅膀相互作用的研究，需要更多显示实验和更为细致的观测，才能给出更准确的运动规律和特性。

昆虫和鸟类扑翼飞行机理的研究，对于生物学、仿生工程学的研究和微型飞行器的研制有着重要的启示作用和引导作用。

转载

基于仿生学机理微型扑翼飞机设计与制作的探究

研究背景：人类研制出各种类型的飞机、直升机，却独独未能研制出扇动翅膀就能飞行的“扑翼飞机”。扑翼飞机有着它独特的优势，这是现有的各种类型飞机无法比拟的，因此，近年来国内外加强了对扑翼飞机的研究，国内诸如西北工业大、南航等高校对微型扑翼飞机已经取得了一定的成果。

目的：对微型扑翼飞机原理及可行性实行有效探究。

内容：根据对小雷诺数下的空气动力问题”、“微型飞机的动力问题”的研习，建立微型扑翼飞机的数学模型，设计微型扑翼飞机。应用计算机仿真技术对设计方案的性能进行探究改良。制作出微型扑翼飞机，并在较理想的自然条件下对其试验，根据试验结果的不足进行改良。改良后进行风洞测试等实验测试，近一步探究其性能的不足并做最后的改进。

预期成果：设计并制作初步成型的微型扑翼飞机。且初步成型的作品具有较好的平衡能力和较长的飞行时间。

1、“小雷诺数下的空气动力问题”、“微型飞机的动力问题”的研习。

2、设计方案进行“数学建模”。

3、“计算机仿真技术”对设计方案改良。

4、对作品进行“风洞测试”等试验探究。

设计出具有较好平衡能力和较长飞行时间的微型扑翼飞机，并具有较高的可控性