項目名稱： 微型飛行器的仿生流體力學研究

推薦單位： 專家推薦

項目簡介： 本項目屬力學學科，主要研究昆蟲飛行的高升力機理，能耗機制及動穩定性，旨在為微型飛行器這一新型飛行器提供力學理論基礎，同時，為昆蟲的生物學研究提供力學依據。

主要發現點為：（1）揭示了二個非定常高升力的新機制：一是拍動初期的快速加速效應；二是拍動結束階段翅膀的快速上仰效應。指出它們與他人發現的不失速機制一起，構成拍動翅產生高升力的三個主要機制。（2）表明了影響不同昆蟲拍動翅的氣動力系數的主控參數為雷諾數（Re），Re在約100（翅長約在1-2mm）以上的昆蟲，盡管尺寸相差數十倍，體重相差幾千倍，一般都是用上述三個機制產生氣動力的。（3）表明了不同昆蟲的比功率（需用功率除以質量）在20-40 W/kg之間，飛行的能耗隨飛行速度的變化關系近似為"J"形曲線，而不像飛機的那樣為U形曲線。（4）揭示了蠅、蜂等昆蟲懸停飛行的縱向擾動運動由三個特征模態構成：不穩定振蕩模態，快衰減模態，慢衰減模態；從而飛行是動不穩定的（其穩定飛行是由主動控制獲得的；這一結果可解釋昆蟲為何懸停得很平穩，同時機動性也很好）。

以上發現解決了仿昆蟲微型飛行器的力學基礎問題：對高升力機理的認識，可為仿昆蟲微型飛行器的研制提供如何確定拍動翼幾何形狀，飛行器的重量和尺寸，拍動翼的運動參數等方面的指導；關于能耗的認識，可提供如何選擇動力系統、確定續航時間方面的指導；對飛行動穩定性的認識，為仿昆蟲微型飛行器的控制提供了理論基礎。同時，這些認識為昆蟲生理學、行為學、神經生物學等的研究提供了力學依據。

關于高升力機制的結果，被國際著名刊物 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。關于昆蟲飛行的能耗的工作，被哈佛大學著名生物力學家 E. Tytell 在 J. Exp. Biol. 的評論專欄中撰文介紹。國內外權威綜述、評論學術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。

主要發現點： 1．核心發現點

（1）揭示了二個非定常高升力的新機制：一是拍動初期的快速加速效應；二是拍動結束階段翅膀的快速上仰效應。指出它們與他人發現的不失速機制一起，構成拍動翅產生高升力的三個主要機制。（附件1-1）

（2）表明了影響不同昆蟲拍動翅的氣動力系數的主控參數為雷諾數（Re）， Re在約100（翅長約在1-2mm）以上的昆蟲，盡管尺寸相差數十倍，體重相差幾千倍，一般都是用上述三個機制產生氣動力的。（附件1-2及1-5）

（3）表明了不同昆蟲的比功率（需用功率除以質量）在20-40 W/kg之間；飛行的能耗隨飛行速度的變化關系近似為"J"形曲線，而不像飛機的那樣為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運動由三個特征模態構成：不穩定振蕩模態，快衰減模態，慢衰減模態；從而飛行是動不穩定的（其穩定飛行是由主動控制獲得的；這一結果可解釋昆蟲為何懸停得很平穩，同時機動性也很好）。（附件1-6）

2．其他重要發現點

（1）認識到微小昆蟲（Re在幾十，翅長約在1mm以下的昆蟲），除上述三個機制外，還需要其它高升力機制；例如，微小昆蟲臺灣小黃峰是用"合擾/打開"機制，使升力較常規拍動的大35%-40%。（附件1-9和1-10）

（2）發現蜻蜓飛行時前后翅的氣動干擾并不強而且是有害的干擾。這一結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：在拍動中，后翅總是超前于前翅，從而兩翅避開了對方尾渦的有害干擾。（附件1-7和1-8）

（3）認識到昆蟲前飛時，以及用傾斜拍動平面懸停時（如蜻蜓），既用升力原理，也用阻力原理來產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力做功，肌肉的彈性儲能作用對比功率的影響很小；對于翼拍動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，肌肉的彈性儲能作用會使比功率減少約30%。（附件1-5）

主要完成人： 孫茂

該項目各主要發現點均主要由本人做出；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。 本人在該項目研究中的工作量占本人工作時間的百分之九十。