昆虫飞行的高升力机理和能耗

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北京航空航天大学 学报
2003 年
小) . 应指出, 最近针对昆虫模型翅和真实翅的研 究结果表明, 气动力受翅膀弯度的影响并不太大, 扭转的影响几乎没有[ 13, 14] .
2 非定常高升力机理
早期有关昆虫的研究工作主要有 3 个方面. ¹ 运动学观察, 获得了拍动频率, 拍动角, 拍动平 面倾角等参数. º 将昆虫翅置于风洞中, 在相应的 Re 下进行定常气动力测量. » 利用测得的气动性 能数据, 与运动参数结合, 在准定常假设下估算昆 虫飞行的升力及能耗, 看能否像处理直升机旋翼 或螺旋桨那样, 用准定常空气动力学理论来解释 昆虫的飞行. 作为例子, 图 3 给出果蝇翅膀的风洞 实验结果( Re U 200) [ 4] , 攻角为 10b时, 升 力系数 CL 只有约 0. 23, 远小于高 Re 下典型机翼的值; 最大 CL 只有约 0. 60. 人们即使用此最大 CL 与果 蝇翅膀的运动参数结合, 估算出的力也不能平衡 该昆虫的重量[ 6, 15] ; 对于其它昆虫, 情况也基本如 此[ 6] ; 说明不能用定常流理论去解释昆虫的飞行.
摘
要: 昆虫的飞行机理可能为微型飞行器所借鉴, 因而近来人们对其十
分关注. 在过去 10 年中, 该领域的工作有了较大的进展. 回顾了这 10 年中该领域的
研究工作: 首先, 简述昆虫翅的拍动运动; 其次, 探讨拍动翅的非定常高升力机制; 然
后, 讨论昆虫悬停和前飞时的能耗问题; 最后, 介绍最近关于具有两对翅膀的昆虫
Key words: 百度文库nsect ; flies; bees; moths; dragonflies; non-steady flow; flapping wing; power requirement ; m-i cro- air vehicles( MAVs)
昆虫是最早出现、数量最多, 体积最小, 机动 性最好的 飞行者. 其 翅膀运 动的雷 诺数 ( Re ) 很 小, 在 10~ 10 000 之间[ 1~ 3] . 将其翅膀在风洞的定 常来流条件下进行实验, 结果表明, 在此 Re 范围 产生升力的能力很低. 例如, 果蝇翅膀的最大升力 系数只有约 0. 6[ 4] , 蜻蜓翅膀的只有约 1. 0[ 5] , 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. 显然, 昆虫是利用非定常流来产生高 升力的[6] ( 这里的高升力是相对定常条件下的升 力来说的) . 人们对昆虫产生高升力的机理十分感 兴趣. 这主要是因为:
翅膀拍动的运动学参数, 如拍动幅度, 频率, 攻角都可能会随飞行速度变化. 但目前, 只有熊蜂 和鹰蛾的拍动参数较全, 从悬停到最大飞行速度 的范围内, 都有自由飞行的观测数据[ 11, 12] .
另外, 大多数昆虫的翅膀具有 10b~ 20b的扭 转, 翅根的攻角比翅尖大, 有如螺旋桨; 也存在一 定弯度( 果蝇等小昆虫翅膀似乎较坚硬, 扭转十分
对于翅的转动, 多数昆虫在正常悬停中翅膀 的攻角约为 35b, 两次 拍动之间翻转 的角度约为
SHF ) 正弦函数; TF) 梯形函数. 图 2 无 量纲平动速度 <# + 及转动速度 ÛA+
若转动的一半在拍动结束阶段完成, 另一半 在下一次拍动的初始阶 段完成, 则称为/ 对称模 式0; 若将转动提前, 让其大部分在拍动结束阶段 完成, 只有一小部分在下一次拍动的起始阶段完 成, 则称为/ 超前模式0; 反之称为/ 滞后模式0[ 10] . 平动速度为梯形函数时, 转动时间的变化对气动 力的影响很大. 如果使左右两翅膀转动时间不同, 就可能提供机动飞行的控制力[ 10] .
) ) ) 蜻蜓飞行的研究结果.
关 键 词: 昆虫; 蝇; 蜂; 蛾; 蜻蜓; 非定常流动; 高升力机制; 能耗; 微型飞
行器
中图分类号: V 21113; Q 81116
文献标识码: A
文 章 编 号: 1001- 5965( 2003) 11-0970-08
Unsteady lift mechanisms and energetic in flying insects
2003 年 11 月 第29 卷 第11 期
北京 航空航天大学学报 Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics
November 2003 Vol. 29 No111
昆虫飞行的高升力机理和能耗
孙 茂 吴江浩
( 北京航空航天大学 航空科学与工程学院, 北京 100083)
收稿日期: 2003-07-07 作者简介: 孙 茂( 1955- ) , 男, 贵州贵阳人, 教授, sunmao@ public. fhnet. cn. net.
第 11 期
孙 茂等: 昆虫飞行的 高升力机理和能耗
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1 昆虫翅膀的拍动运动
昆虫靠拍动其翅膀来飞行. 翅膀近似在一个 面内拍动, 该平面称为拍动平面( 见图 1) , 对许多 昆虫( 如果蝇、熊蜂等) , 拍动平面与身体之间的夹 角是固定的[3, 7, 8] ; 对有的昆虫( 如鹰蛾等) 该夹角 随飞行条件略有变化[ 3] . 拍动平面与直升机桨叶 的旋转平面类似, 不同的是直升机桨叶作固定方 向旋转, 而昆虫翅作往复式运动. 拍动范围的大小 用拍动角来 衡量, 对于许多的昆虫, 拍动角约为 120b[1, 3] .
图 3 果蝇翅膀的升、阻力系数( CL , CD ) 的极曲线, Re= 200 风洞实验( 引自文献[ 4] )
上述估 算[ 6, 15] 是在 80 年代 进行 的. 而 此前 ( 70 年代初) , Weis- Fogh[ 1] 在研究台湾小黄蜂的飞 行时发现, 在每一次下拍前, 其两翅在背部/ 合拢0 ( clap) , 然后快速/ 打开0 ( fling) . 因该昆虫翅膀运 动的 Re 只有约 15, Weis- Fogh 认为两翅合拢后的 快速打开是产生大升力的主要机制, 称为/ WeisFogh 机 制 0, 而 Lighthill[ 16] 的 理 论 分 析 和 Maxworthy[ 17] 的 实验 研究也 表 明了 这一 点. WeisFogh 机制是典型的非定常流产生高升力的例子. 大多数昆虫虽不用这种方式产生高升力, 但 WeisFogh 机制的发现, 对昆虫的非定常流动的研究起 了先导性的作用. 事实上, 正是 Weis- Fogh 和 Lighthill 等人的工作, 促使人们从流动的非定常方面去 思考昆虫产生高升力的问题.
悬停飞行时, 对于许多昆虫, 拍动平面是水平 的( 称为/ 正常悬停0) , 翅膀向前拍动时, 翼弦与拍 动平面成一夹角, 即攻角, 从而可产生升力( 见图 1) ; 向后拍动时, 翅膀翻转过来, 下翼面变成上翼 面, 运动速度, 攻角等与向前拍动时相同, 产生同 样大的升力( 见图 1) . 向前拍动和向后拍动的阻 力大小相同但方向相反, 一周期中的平均值为零. 因而, 一周期中翅膀上平均气动力是垂直向上的, 其平衡昆虫身体重量. 前飞时, 这些昆虫将拍动平 面向前倾斜, 这样可使平均气动力向前倾斜, 从而 提供克服身体阻力的推力[3] . 当拍动平面前倾时, 身体倾角( 体轴与水平面之夹角) 也变小, 以便减 小阻力. 通过向后或向旁边倾斜拍动平面, 昆虫可 以向相应方向飞行[ 3] .
1) 生物学家研究昆虫的生物学问题时, 需要
了解飞行中气动力的产生和能量的消耗对昆虫的 生态学、生理学、微 观和宏观的进化等方面的影 响;
2) 工程专家从仿生学的角度, 希望了解昆虫 是如何利用/ 新奇0空气动力学原理的, 特别是近 来人们关注的微型飞行器需要向昆虫借鉴.
在过去 10 年中, 该领域的工作有了较大的进 展. 本文回顾这 10 年中该领域的研究工作. 首先, 简述昆虫翅的拍动运动; 其次, 探讨拍动翅的非定 常高升力机制; 然后, 讨论昆虫悬停和前飞时的能 耗问题; 最后, 介绍最近关于具有两对翅膀的昆虫 ) ) ) 蜻蜓飞行的研究结果.
110b. 翻转时间约为一个拍动周期的 20% . 果蝇的 拍动 频率 约为 250 Hz, 平 均转 动角 速 度可 超过 105( b) Ps ; 鹰蛾的拍动频率约 25Hz, 平均转动角速 度超过 104 ( b) Ps.
对于翅的平动, 从对一些昆虫的自由悬停和 少数昆虫的自由前飞的观察知, 翅的平动速度随 时间的变化近似为正弦函数[ 3] , 最大速度点位于 上拍或下拍的中间时刻, 而最大加速度点位于一 次拍动的开始处( 见图 2) . 由于自由飞行时翅膀 拍动的数据较难获得, 人们往往将昆虫固定于风 洞中的某种装置上来做实验, 称为系留飞行实验. 对果蝇在系留飞行状态下的观测表明, 翅膀的平 动速度随时间变化的近似为/ 梯形函数0, 即在拍 动开始阶段, 拍动速度很快增加到一常数, 然后保 持该常数, 拍动快结束时, 速度又快速降低到零[ 9] ( 见图 2) . 与正弦函数相比, / 梯形函数0在每次拍 动开始时的加速度和 结束时的减速 度都大了许
由于前飞时拍动平面向前倾斜( 对有的昆虫, 如蜻蜓、食蚜蝇等, 悬停飞行时也如此) , 向前的拍 动实际上是向前和向下的, 而向后的拍动是向后 和向上的, 因而, 习惯上也把所有飞行状态下的向 前拍动称为下拍, 向后拍动称为上挥或上拍. 在下 拍或上拍过程中, 将拍动平面内的 运动称为/ 平 动0( 事实上是周向转动) , 而两拍动之间的翻转称 为/ 转动0.
Sun Mao Wu Jianghao
( School of Aeronaut ics Science and Technology, Beijing U niversity of Aeronautics and Ast ronautics, Beijing 100083, China)
Abstract: Recently, the interest has been developed in small autonomous flying vehicles. There already exist such autonomous MAVs( micro- air vehicles) in nature: the insects. In the design of small flying machines, it is very helpful to understand first how these small animals fly. The achievements of the last ten years in the field of insect flight aerodynamics are reviewed. First, the kinematics of the flapping motion of insects is summarized. Next, issues related to the unsteady lift mechanisms of flapping wings of the fruit fly and similar insects are presented. Then the power requirements of hovering and forward flight are discussed. Finally, recent works on the insects that have two pairs of wings are discussed.
多. 若真实飞行时翅拍动的平动速度是近似正弦 函数变化的, 则/ 梯形函数0夸大了拍动始、末的加 速度. 但因这种平动函数是在实验中观察到的, 且 能够使一些高升力机制更加明显, 因而, 在一些实 验和计算中, 平动速度是按梯形函数给出的.
图 1 蜂蝇( drone- fly, eristalis tenax ) 在做低速前飞, 接近悬停( 引自文献[ 3] )