仿生微型撲翼飛行器中的空氣動(dòng)力學(xué)問題研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)

楊文青, 宋筆鋒, 宋文萍, 陳利麗

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 西安 710072; 2. 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院, 西安 710089)

特約

仿生微型撲翼飛行器中的空氣動(dòng)力學(xué)問題研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)

楊文青1，*, 宋筆鋒1, 宋文萍1, 陳利麗2

(1. 西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院, 西安 710072; 2. 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司 第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院, 西安 710089)

對(duì)仿生微型撲翼飛行器相關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)問題的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，并分析了未來發(fā)展面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。與自然界的飛行生物相比，目前仿生撲翼飛行器的飛行能力還很笨拙，距離高仿生還有較大距離。其中，所涉及的低雷諾數(shù)非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)問題成為研究者在深入研究時(shí)面臨的一個(gè)主要難題，關(guān)鍵在于數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)均難以準(zhǔn)確模擬飛行中的實(shí)際狀態(tài)。具體面臨的難題主要包括：(1) 仿生微型撲翼飛行器所處的雷諾數(shù)為103～105量級(jí)，屬于對(duì)轉(zhuǎn)捩與湍流非常敏感的區(qū)域，相關(guān)的氣動(dòng)機(jī)理復(fù)雜；(2) 柔性翼在飛行中密切相關(guān)的動(dòng)氣動(dòng)彈性問題；(3) 高機(jī)動(dòng)飛行導(dǎo)致的動(dòng)氣動(dòng)彈性耦合飛行力學(xué)問題；(4) 撲翼飛行的復(fù)雜姿態(tài)對(duì)飛控系統(tǒng)的挑戰(zhàn)及反饋耦合算法的設(shè)計(jì)等。這些層層深入的多學(xué)科耦合難題導(dǎo)致了目前具備的研究手段難以為仿生撲翼飛行器的研究提供定量的分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)。在解決上述難題的基礎(chǔ)上，未來可進(jìn)一步在高機(jī)動(dòng)靈活飛行姿態(tài)方面進(jìn)行深入研究，對(duì)仿生柔性翼的剛度分布開展詳細(xì)設(shè)計(jì)，使仿生撲翼飛行器具有像自然界飛行生物一樣的主動(dòng)變形能力，可在復(fù)雜的環(huán)境下具備高機(jī)動(dòng)飛行能力，最終實(shí)現(xiàn)高仿生外形和性能的人造飛鳥或人造飛蟲。

微型仿生飛行器；低雷諾數(shù)；非定常氣動(dòng)力；氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合；多學(xué)科設(shè)計(jì)

0 引 言

微型仿生飛行器由于突出的仿生外形和飛行特性，以及小尺寸具有的機(jī)動(dòng)靈活性，有望為環(huán)境監(jiān)測(cè)、安保監(jiān)控等重要應(yīng)用的信息獲取方式帶來革命性的改進(jìn)[1-2]。從本世紀(jì)初掀起的微型飛行器研究熱潮到如今，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，微型仿生飛行器的研究已經(jīng)取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。撲翼飛行器是仿生飛行器的代表，與傳統(tǒng)飛行器的飛行方式不同，它采用自然界生物的撲動(dòng)翼的飛行方式來同時(shí)產(chǎn)生飛行所需的升力和推力。具有合適外形、剛度及運(yùn)動(dòng)方式的撲翼可以產(chǎn)生理想的升力和推力，從飛行生物身上可以看到撲翼飛行的潛力，比如小小的蜜蜂可以帶動(dòng)比自身更重的花粉來飛行，老鷹甚至可以帶動(dòng)一只山羊飛行。且撲翼飛行可隨時(shí)調(diào)整撲動(dòng)的頻率、幅度以適應(yīng)不同的飛行狀況，甚至可以停止撲動(dòng)采用滑翔飛行方式來節(jié)省體能。

由于微型飛行器質(zhì)量小、飛行速度低，突風(fēng)對(duì)其飛行性能影響非常大，而采用柔性翼結(jié)構(gòu)后，遭遇突風(fēng)產(chǎn)生相應(yīng)變形可以起到一定的抗風(fēng)作用[3-4]。柔性結(jié)構(gòu)還可以充分利用結(jié)構(gòu)變形對(duì)氣動(dòng)力的重新分布影響進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，進(jìn)而改進(jìn)飛行器的氣動(dòng)性能。飛行生物也采用了柔性翼結(jié)構(gòu)，用于抵抗突風(fēng)，提高飛行的機(jī)動(dòng)能力。

撲翼飛行的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是可以充分利用渦的能量。對(duì)于傳統(tǒng)固定翼飛行器而言，翼尖渦會(huì)消耗能量，所以采用翼稍小翼等技術(shù)將其影響盡量減小。但對(duì)于撲翼，翼尖渦卻可以和前緣渦同時(shí)作用，起到增強(qiáng)升力的效果。柔性結(jié)構(gòu)的撲翼，弦向結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致氣動(dòng)力重新分布，可顯著增強(qiáng)推力。沿著展向的結(jié)構(gòu)變形會(huì)改變迎角在展向的分布，同時(shí)改變所產(chǎn)生氣動(dòng)力的相位。

前飛時(shí)柔性撲翼的推力主要包括2部分，前緣吸力和由于弦向變形導(dǎo)致的壓力分布變化。當(dāng)翼型后部的柔性變形增加時(shí)，可以增加推力的分量，效果相當(dāng)于增加了有效迎角。當(dāng)弦向柔性在一定范圍內(nèi)增加時(shí)，盡管有效迎角和總氣動(dòng)力由于弦向外形變化而減少，但平均推力和瞬時(shí)推力都會(huì)由于氣動(dòng)力方向的改變而顯著增加。對(duì)于展向柔性變形，在一定的合適范圍內(nèi)，可以增加推力。

翼型和翼面形狀對(duì)撲翼的氣動(dòng)特性影響顯著，涌現(xiàn)出大量關(guān)于不同外形撲翼結(jié)構(gòu)柔性特性的研究。理論上結(jié)構(gòu)變形有一個(gè)合適范圍，可以改善氣動(dòng)特性。但該方面還需要開展深入的工作，以了解結(jié)構(gòu)柔性變形和氣動(dòng)性能的影響機(jī)理，特別是在遭遇不可預(yù)見突風(fēng)等復(fù)雜情況下。

由于柔性翼對(duì)飛行器的氣動(dòng)特性有顯著的影響，眾多文獻(xiàn)都展開了研究，但目前的研究還僅限于探索性的初步研究，很多關(guān)鍵的研究問題尚未解決，突出的難點(diǎn)包括：幾何非線性的作用及結(jié)構(gòu)各向異性如何影響撲翼飛行的空氣動(dòng)力學(xué)特性；撲翼飛行如何通過結(jié)構(gòu)變形提高穩(wěn)定性等。

上述問題均不是獨(dú)立存在，而是需要在撲翼飛行器設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及柔性結(jié)構(gòu)特性等多個(gè)方面同時(shí)開展深入的綜合研究，才能設(shè)計(jì)出具有高性能的飛行器。

有大量的文獻(xiàn)表明關(guān)于上述內(nèi)容已經(jīng)開展了相關(guān)的研究。近年來，已發(fā)表的研究?jī)?nèi)容也有逐步深入和細(xì)化的趨勢(shì)。本文的目的是綜述目前相關(guān)的氣動(dòng)特性研究進(jìn)展，并指出未來研究的發(fā)展方向，及面臨的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。

1 尺度律與關(guān)鍵無量綱參數(shù)

尺度律的研究對(duì)于減少參數(shù)數(shù)量，清晰描述一個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)特性有重要意義，可以指出各參數(shù)的重要性[5]。對(duì)于撲翼的研究，主要的無量綱參數(shù)為：

(1) 雷諾數(shù)Re

描述的是慣性力和粘性力的比值。定義為：

式中：ρf為流體密度，Lref為參考長(zhǎng)度，Uref為參考速度，μ為粘性系數(shù)。

在撲翼飛行中，由于升力和推力都是依靠撲翼的撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生，參考長(zhǎng)度通常取平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)，參考時(shí)間取撲動(dòng)周期，參考速度需要根據(jù)飛行情況和翼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來決定。

懸停飛行時(shí)，參考速度取翼尖平均速度。此時(shí)，雷諾數(shù)的形式如公式(2)所示，與撲動(dòng)幅度、撲動(dòng)頻率、平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)的平方及展弦比成正比。

式中：AR為展弦比，Φ為撲動(dòng)幅度，f為撲動(dòng)頻率，cm為平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)。

前飛時(shí)，參考速度有多種考慮，可以用前飛速度或者翼尖平均撲動(dòng)速度。當(dāng)選擇前飛速度作為參考速度時(shí)，雷諾數(shù)的形式如公式(3)所示，正比于平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)和飛行速度，與撲動(dòng)頻率和撲動(dòng)幅度無關(guān)。

式中：U∞為前飛速度或來流速度。

(2) 斯特勞哈爾數(shù)St

描述的是前飛速度和撲動(dòng)速度的比值。該參數(shù)描述了飛行中渦量脫落的效果[6]。對(duì)于撲翼飛行，該參數(shù)定義為：

從定義可以看出，該參數(shù)可以作為撲翼前飛時(shí)推進(jìn)效率的度量。

(3)減縮頻率k

描述的是撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)的非定常度，含義為流體擾動(dòng)的空間尺度與弦長(zhǎng)的比較[7]。定義為：

當(dāng)參考翼尖平均速度時(shí)，減縮頻率可以表示為：

注意到該定義中減縮頻率和撲動(dòng)幅度及展弦比成反比，和撲動(dòng)頻率無關(guān)。

當(dāng)參考前飛速度時(shí)，減縮頻率可以表達(dá)為：

此時(shí)，減縮頻率正比于撲動(dòng)頻率和平均氣動(dòng)弦長(zhǎng)，與飛行速度成反比。前飛速度作為參考值時(shí)，減縮頻率和斯特勞哈爾數(shù)的關(guān)系為：

總的來說，在幾何相似的前提下，基于2種參考速度的撲翼飛行尺度律如表1所示?？梢愿鶕?jù)表1各個(gè)參數(shù)的依賴關(guān)系來研究其影響規(guī)律。

表1 撲翼無量綱參數(shù)的尺度依賴Table 1 Dimensionless parameters and size dependence of flapping wing

2 重要的撲翼非定常氣動(dòng)機(jī)理

自然界飛行生物利用高效飛行機(jī)制同時(shí)產(chǎn)生升力和推力來飛行。影響這些機(jī)制的主要因素包括流動(dòng)產(chǎn)生的渦的脫落方式，翼的外形及結(jié)構(gòu)的柔性，需要深入分析翼渦交互作用及流固耦合的影響關(guān)系。本節(jié)總結(jié)了文獻(xiàn)中提到較多的非定常流動(dòng)機(jī)理。

(1) 拍-揮機(jī)制

Weis-Fogh[8]提出了昆蟲產(chǎn)生高升力機(jī)制。通過觀察一種小蜂的飛行得知，小蜂首先將兩翅拍到一起，然后再迅速揮動(dòng)開，使得空氣可以充滿間隙?；诙ǔ９浪?，該蜂翅膀產(chǎn)生的升力不可能支持其飛行。Weis-Fogh認(rèn)為在揮動(dòng)運(yùn)動(dòng)中，翅膀快速打開后，繞翅膀的空氣形成了環(huán)量產(chǎn)生了升力，如圖1所示。Lighthill[9]通過理論分析，Lehmann[10]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該現(xiàn)象，還有數(shù)值模擬的研究成果也證明了該機(jī)理[11]。拍-揮機(jī)制增強(qiáng)升力主要依靠撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可有效利用能量，自然界很多生物都依靠這種機(jī)制產(chǎn)生升力，如飛蛾、蝴蝶、果蠅等[12]。

圖1 撲翼的拍-揮機(jī)制

(2) 快速旋轉(zhuǎn)

Dickinson等[13]發(fā)現(xiàn)，在每次撲動(dòng)結(jié)束時(shí)刻，昆蟲的撲翼通常會(huì)有一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，可增強(qiáng)氣動(dòng)力，如圖2所示。通過控制平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的相位差來實(shí)現(xiàn)，如果在撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)結(jié)束前就朝正確方向快速翻轉(zhuǎn)即可有效增強(qiáng)升力，稱為提前旋轉(zhuǎn)。如果推后旋轉(zhuǎn)，則會(huì)減小升力[14]，快速的旋轉(zhuǎn)可以有效增加升力[15]。

圖2 撲翼的快速旋轉(zhuǎn)機(jī)制

(3) 前緣渦導(dǎo)致的失速延遲

Ellington等[16]提出前緣渦導(dǎo)致的失速延遲可以顯著增強(qiáng)撲翼產(chǎn)生的升力。他觀察到鷹蛾翅膀上的失速渦在整個(gè)拍動(dòng)過程中均不脫落。前緣渦使得翼面產(chǎn)生低壓區(qū)，對(duì)翼表面產(chǎn)生吸力因而可以增加升力，如圖3所示。但前緣渦受到很多參數(shù)的影響，雷諾數(shù)、減縮頻率、斯特勞哈爾數(shù)、翼的柔性以及撲動(dòng)規(guī)律等。Rival等[17]利用PIV方法試驗(yàn)研究了雷諾數(shù)為30000時(shí)前緣渦和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的相關(guān)性，研究發(fā)現(xiàn)細(xì)致調(diào)節(jié)撲翼的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以保持前緣渦穩(wěn)定，從而延遲失速，展向流動(dòng)為穩(wěn)定前緣渦做出了相當(dāng)?shù)呢暙I(xiàn)。

圖3 前緣渦增加升力的機(jī)理

(4) 尾跡捕捉

尾跡捕捉機(jī)制通?？梢栽谝頊u交互作用中觀察到，當(dāng)撲翼轉(zhuǎn)換撲動(dòng)方向時(shí)，會(huì)遇到前次撲動(dòng)產(chǎn)生的渦，導(dǎo)致翼面流動(dòng)速度增加并產(chǎn)生額外的升力峰值。研究表明，尾跡捕捉的效果和渦量的分布與大小的時(shí)間變化規(guī)律有關(guān)[18]。Wang[19]和Shyy等[20]利用二維翼型的數(shù)值模擬分析了尾跡捕捉的升力增強(qiáng)原理，如圖4所示。

(5) 被動(dòng)俯仰

撲動(dòng)反向時(shí)，受到慣性力的作用，撲翼會(huì)扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生一個(gè)類似被動(dòng)俯仰的運(yùn)動(dòng)。該俯仰現(xiàn)象與撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)的相位對(duì)比可以分為延遲、同步和提前這3種模式。研究發(fā)現(xiàn)撲動(dòng)頻率和結(jié)構(gòu)固有頻率決定了被動(dòng)俯仰的模式。當(dāng)撲動(dòng)頻率小于固有頻率時(shí)，撲翼為提前俯仰模式。這種情況下，2個(gè)撲動(dòng)周期間的尾跡交互作用可對(duì)升力起到增強(qiáng)作用[21]。在二維翼型的流動(dòng)結(jié)構(gòu)中可以觀察到，發(fā)生被動(dòng)俯仰的柔性翼表面的前緣渦比剛性翼保持得更久[22],如圖5所示。

(6) 翼尖渦

對(duì)于有限翼展的固定翼來說，翼尖渦會(huì)造成升力損失和阻力增加[23]。然而非定常流動(dòng)中，翼尖渦在翼尖附件產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)，和前緣渦產(chǎn)生一定交互作用，不斷脫落構(gòu)成各種結(jié)構(gòu)的渦系。在撲翼懸停飛行中，以特定的方式撲動(dòng)，則可以使翼尖渦產(chǎn)生好的影響，如圖6所示的翼尖渦有效增強(qiáng)了升力。

圖4 尾跡捕捉機(jī)制

圖5 被動(dòng)俯仰機(jī)制(左列為柔性翼，右列為剛性翼)

圖6 翼尖渦的增升作用

3 撲翼飛行空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究

對(duì)生物飛行空氣動(dòng)力學(xué)的研究有助于人們深入理解撲翼飛行的氣動(dòng)機(jī)理，這是成功研制高性能仿生撲翼飛行器的關(guān)鍵之一。早在1984年，Ellington[24]就詳細(xì)解釋和證明了準(zhǔn)定常空氣動(dòng)力學(xué)不能完全解釋昆蟲的飛行機(jī)理，并通過記錄多個(gè)物種的形態(tài)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，證明了昆蟲飛行過程中存在非定常高升力機(jī)制。

對(duì)昆蟲飛行空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究是撲翼非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)研究的開始。

1997年，Willmott等[25]利用帶有點(diǎn)燃的煙苗的立體攝影技術(shù)，通過4個(gè)高倍的頻閃觀測(cè)儀來捕捉天蛾翅膀的非定常空氣流動(dòng)。從拍到的照片能夠觀察到天蛾飛行過程中產(chǎn)生的渦，從而解釋天蛾飛行的非定?？諝鈩?dòng)力效應(yīng)。同年，Van den Berg和Ellington[26]為了研究天蛾飛行時(shí)產(chǎn)生的尾渦結(jié)構(gòu)，利用一個(gè)帶有撲動(dòng)機(jī)構(gòu)的天蛾模型模擬了其懸停運(yùn)動(dòng)。隨后他們又對(duì)天蛾飛行過程中產(chǎn)生的三維前緣渦進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)前緣渦的形成和發(fā)展是天蛾產(chǎn)生高升力的主要原因[27]。1999年，Ellington[28]總結(jié)了之前的研究工作，進(jìn)一步探討了非定常流動(dòng)機(jī)理在微型撲翼飛行器中的應(yīng)用。同年，Dickinson等[13]研究了昆蟲飛行中翅膀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與非定常氣動(dòng)力產(chǎn)生之間的關(guān)系。2001年，Birch等[29]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)了昆蟲飛行中的另外一個(gè)流動(dòng)特性：展向流動(dòng)和前緣渦的再附著。他們通過可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果否定了之前的關(guān)于昆蟲飛行中產(chǎn)生的前緣渦再附著現(xiàn)象與三角翼飛機(jī)中的流動(dòng)機(jī)制類似的假設(shè)。這是昆蟲空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域一個(gè)很重要的發(fā)現(xiàn)。2004年，Dickson等[30]通過對(duì)昆蟲懸停過程采用準(zhǔn)定常假設(shè)，研究了前進(jìn)比對(duì)昆蟲氣動(dòng)特性的影響。2005年，F(xiàn)ry等[31]制作出了模擬昆蟲運(yùn)動(dòng)的撲翼飛行器，并且成功估算出了其飛行時(shí)的空氣動(dòng)力載荷。

在對(duì)昆蟲非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)進(jìn)行理論研究的同時(shí)，人們也利用日益成熟的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)昆蟲飛行時(shí)的流動(dòng)細(xì)節(jié)進(jìn)行測(cè)量，從而進(jìn)一步加深了對(duì)昆蟲飛行機(jī)理的理解。2005年，Lehmann等[32]使用數(shù)字粒子圖像測(cè)速技術(shù)(DPIV)研究了昆蟲做翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的高升力機(jī)理。Poelma等[33]將流場(chǎng)可視化工作進(jìn)一步推廣到重建昆蟲運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)全場(chǎng)流動(dòng)速度。他們利用現(xiàn)代的電機(jī)驅(qū)動(dòng)、力測(cè)量以及流動(dòng)可視化技術(shù)對(duì)低雷諾數(shù)昆蟲飛行空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

由于對(duì)動(dòng)物的飛行實(shí)驗(yàn)研究需要活的動(dòng)物標(biāo)本，而且所需的實(shí)驗(yàn)條件也很復(fù)雜，所以人們?cè)谥皩?duì)飛行動(dòng)物空氣動(dòng)力特性的研究基礎(chǔ)上，開始制作簡(jiǎn)化的撲翼飛行器模型來測(cè)量其氣動(dòng)特性。

2003年，Mueller等[34]總結(jié)了微型撲翼飛行器的一般空氣動(dòng)力學(xué)特性，包括各種實(shí)際撲翼飛行器模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法。Rozhdestvensky等[35]研究了微型撲翼飛行器運(yùn)動(dòng)的空氣動(dòng)力推進(jìn)機(jī)理。2004年，Heathcote等[36]研究了在無自由來流情況下的柔性翼型的俯仰/沉浮運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的推力特性。2005年，Tarascio等[37]實(shí)現(xiàn)了模仿昆蟲懸停的撲動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且用實(shí)驗(yàn)測(cè)量出了其流場(chǎng)特性，但是最終只得到了定性的結(jié)果。2006年，Lu等[38]利用DPIV技術(shù)研究證實(shí)了撲翼前緣渦與升力產(chǎn)生間的關(guān)系。研究涵蓋了不同展弦比、迎角和低雷諾數(shù)范圍，研究數(shù)據(jù)為以后微型撲翼飛行器空氣動(dòng)力學(xué)研究提供了重要參考。

國內(nèi)對(duì)微型撲翼氣動(dòng)特性的研究開展得比國外要晚，主要開始于2000年后。但通過最近幾年科研人員的努力工作，也取得了不凡的成果。

2003年，南京航空航天大學(xué)曾銳等[39]根據(jù)綠頭鴨飛行的錄像片斷，對(duì)其平飛時(shí)翅膀的撲動(dòng)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，較詳細(xì)地分析了撲翼平均升力系數(shù)隨著撲動(dòng)幅度、俯仰幅度以及撲動(dòng)頻率等各種撲動(dòng)參數(shù)的變化曲線，為微型撲翼機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一定的參考依據(jù)。

2007年，西北工業(yè)大學(xué)邵立民等[40]利用西北工業(yè)大學(xué)微型飛行器專用風(fēng)洞對(duì)微型撲翼飛行器機(jī)翼進(jìn)行初步風(fēng)洞試驗(yàn)。2008年，王利光[41]對(duì)撲翼風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，能夠?qū)湟淼臍鈩?dòng)、動(dòng)力、能源等系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量與分析。2014年，王利光等進(jìn)一步改進(jìn)撲翼風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)，提高了測(cè)量精度，并實(shí)現(xiàn)了與DIC系統(tǒng)的融合與同步測(cè)量，開展了柔性撲翼變形與氣動(dòng)特性對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究[42-44]。

4 撲翼飛行空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究

20世紀(jì)90年代以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬方法也在微型撲翼空氣動(dòng)力學(xué)研究中發(fā)揮了越來越重要的作用。

1996年，Vest等[45]利用非定常氣動(dòng)模型數(shù)值模擬了微型撲翼的推力特性；Smith等[46]利用面元法數(shù)值模擬了剛性撲翼產(chǎn)生的大尺度尾渦結(jié)構(gòu)以及氣動(dòng)力，并且證明了此方法優(yōu)于準(zhǔn)定常方法。1998年，Liu等[47]通過求解基于時(shí)間推進(jìn)的三維非定常Navier-Stokes方程，數(shù)值模擬了昆蟲的非定常流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，并且與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，分析發(fā)現(xiàn)在昆蟲飛行的低雷諾數(shù)范圍內(nèi)翼尖前緣渦對(duì)“高升力”的產(chǎn)生起非常重要的作用。2002年，Ramamurti等[48]利用基于有限元方法的求解器數(shù)值模擬了果蠅的三維非定常流動(dòng)特性，計(jì)算結(jié)果與相關(guān)實(shí)驗(yàn)值吻合良好。2004年，Wu等[49]通過數(shù)值求解三維非定常Navier-Stokes方程模擬了果蠅的非定常氣動(dòng)力；Fritz等[50]利用非定常渦方法計(jì)算了有限翼展機(jī)翼做俯仰、沉浮運(yùn)動(dòng)時(shí)非定常氣動(dòng)特性。

國內(nèi)對(duì)微型撲翼的氣動(dòng)特性數(shù)值模擬研究工作也取得了不小的進(jìn)展。

2002年北京航空航天大學(xué)流體力學(xué)研究所的孫茂[51]利用N-S方程數(shù)值模擬方法，采用全層流假設(shè)，對(duì)昆蟲的飛行機(jī)理以及高升力產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。

2003年南京航空航天大學(xué)的曾銳、昂海松等提出了一種新的變速-折疊撲翼仿鳥撲動(dòng)模型。通過非定常渦格法的計(jì)算研究表明，在一個(gè)周期內(nèi)，新?lián)湟砟Ｐ偷钠骄ο禂?shù)較原有的勻角速度剛性模型有顯著增加[39]。隨后，曾銳等又在原有撲翼剛性勻速運(yùn)動(dòng)模型基礎(chǔ)上，加入了撲動(dòng)速率變化和形狀變化，使之更接近鳥翼真實(shí)飛行情況。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，柔性變形對(duì)撲翼的升力和推力有著顯著的影響，如果柔性變形控制得當(dāng)，可以大大改善撲翼的氣動(dòng)特性[52]。2007年，昂海松等利用風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和模型飛行實(shí)驗(yàn)的方法，探討了柔性撲翼微型飛行器產(chǎn)生升力和推力的流動(dòng)機(jī)理，并研究了不同撲動(dòng)頻率、迎角、速度下?lián)湟砩屯屏Φ淖兓闆r，為微型撲翼機(jī)的設(shè)計(jì)研制提供了參考依據(jù)[53]。

自2000年以來，西北工業(yè)大學(xué)針對(duì)微型撲翼飛行器的研究開展了許多工作。2003年，龔凱等利用求解Euler方程的方法建立了一套撲翼氣動(dòng)特性的計(jì)算程序，在此基礎(chǔ)上研究了不同參數(shù)對(duì)撲翼的氣動(dòng)特性的影響[54]。2006年，楊淑利等根據(jù)微型撲翼產(chǎn)生升力和推力的機(jī)理，利用改進(jìn)的片條理論方法建立了一套撲翼氣動(dòng)特性的工程估算軟件，并通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了估算軟件的可靠性，在此基礎(chǔ)上研究了不同撲翼形狀下?lián)湟淼臍鈩?dòng)特性[55]。2007年，何飛等通過對(duì)XFOIL程序進(jìn)行改造和擴(kuò)充，完成了對(duì)振蕩來流下柔性翼型的氣動(dòng)特性的研究，并通過求解N-S方程研究了三維柔性固定翼的氣動(dòng)特性[56]。2008年，謝輝等[57]發(fā)展了一套基于廣義無限插值理論的撲翼運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格自動(dòng)生成程序，并且應(yīng)用有限體積法結(jié)合雙時(shí)間推進(jìn)技術(shù)數(shù)值求解了預(yù)處理后的三維非定常N-S方程組，實(shí)現(xiàn)微型撲翼在低速、低雷諾數(shù)下粘性繞流的數(shù)值模擬。2010年，楊文青等隨后發(fā)展了基于距離減縮法的嵌套網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微型撲翼全機(jī)繞流特性的數(shù)值模擬[58-60]。2013年，陳利麗[61]在此基礎(chǔ)上，嵌入了適用性更強(qiáng)的k-ωSST湍流模型模塊和精度更高的高分辨率空間離散格式，提高了對(duì)撲翼繞流數(shù)值模擬的精度。

5 撲翼氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合研究

昆蟲和鳥類的翅膀在飛行過程中常常會(huì)產(chǎn)生顯著的柔性變形，如圖7所示，這主要是通過翅膀的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)或肌肉收縮來控制的：昆蟲通過調(diào)節(jié)內(nèi)部壓力從而改變翅膀剛度；蜂鳥通過控制羽毛的分布改變翅膀的平面形狀來獲得所需的升力；瓢蟲利用其柔軟并且可折疊的翅膀，在飛行時(shí)產(chǎn)生一定的“拱形”翅膀剖面來提高升力特性。

圖7 飛行生物翅膀柔性變形

對(duì)于人造微型撲翼飛行器來說，也可以考慮利用結(jié)構(gòu)的柔性變形來提高氣動(dòng)特性。國內(nèi)外研究學(xué)者分別通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算2種方法對(duì)微型撲翼飛行器氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合特性進(jìn)行了一些研究。

Heathcote等[62]通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)做沉浮運(yùn)動(dòng)的柔性撲翼剛度對(duì)推力特性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，與剛性撲翼相比，柔性撲翼能夠產(chǎn)生更大的推力，并通過水洞實(shí)驗(yàn)對(duì)半展弦比為3，做沉浮運(yùn)動(dòng)的NACA0012矩形機(jī)翼氣動(dòng)特性進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)展向柔性變形能夠顯著提高撲翼的推力。

Frampton等[63]通過實(shí)驗(yàn)方法研究了產(chǎn)生最佳推力特性的柔性撲翼展向彎曲變形與弦向扭轉(zhuǎn)變形之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)柔性彎曲和扭轉(zhuǎn)變形的相位關(guān)系對(duì)于推力特性的產(chǎn)生是至關(guān)重要的，當(dāng)扭轉(zhuǎn)變形滯后彎曲變形90°時(shí)，能夠產(chǎn)生最大的推力。

Singh等[64-65]利用自行開發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置和仿生撲動(dòng)機(jī)構(gòu)來測(cè)量機(jī)翼結(jié)構(gòu)的推力特性，結(jié)果表明，在其實(shí)驗(yàn)狀態(tài)范圍內(nèi)，慣性力對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)變形起主導(dǎo)作用。由此說明，在相關(guān)氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合研究中考慮慣性力的影響是非常必要的。

Wu等[66]發(fā)展了一種多學(xué)科耦合實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量了6副不同結(jié)構(gòu)(每副機(jī)翼均為板條-薄膜結(jié)構(gòu))的微型撲翼做單自由度撲動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)的氣動(dòng)彈性響應(yīng)和氣動(dòng)特性。通過數(shù)字圖像關(guān)聯(lián)系統(tǒng)測(cè)量結(jié)構(gòu)變形，通過載荷傳感器記錄作用于撲翼上的氣動(dòng)載荷，利用數(shù)字粒子圖像測(cè)速技術(shù)(DPIV)測(cè)量流場(chǎng)特性。他們的研究結(jié)果表明，不同的機(jī)翼結(jié)構(gòu)之間的氣動(dòng)彈性特性差異是很大的，通過適當(dāng)?shù)娜嵝越Y(jié)構(gòu)變形，能夠獲得更好的氣動(dòng)特性。

國內(nèi)外研究者不僅在撲翼氣動(dòng)彈性實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了一些研究工作，而且在數(shù)值模擬方面也取得了一定的進(jìn)展。

Hamamoto等[67]采用有限元方法數(shù)值模擬了蜻蜓懸停時(shí)的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合特性，對(duì)柔性結(jié)構(gòu)的利弊進(jìn)行了初步探討。

Zhu等[68]發(fā)展了一套基于三維邊界元法和二維非線性薄鋼板結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型方法的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合分析求解器，并將數(shù)值模擬結(jié)果與Heathcote[62]做沉浮運(yùn)動(dòng)的柔性撲翼實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了算法的正確性。他還分析了慣性載荷在機(jī)翼柔性結(jié)構(gòu)變形中所起的作用，并且探討了展向柔性變形和弦向柔性變形對(duì)氣動(dòng)力的影響，結(jié)果表明，展向柔性結(jié)構(gòu)變形能夠明顯提高撲翼的推力特性。

Liani等[69]發(fā)展了一套基于非定常面元法和二維結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合求解器，研究了不同頻率下柔性撲翼的氣動(dòng)彈性響應(yīng)，通過對(duì)做沉浮運(yùn)動(dòng)的碳纖維平板矩形機(jī)翼在不同頻率下的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在計(jì)算考慮的所有頻率范圍內(nèi)，柔性結(jié)構(gòu)變形對(duì)撲翼氣動(dòng)特性有顯著影響。

Kim等[70]提出了一種采用基于修正的片條理論模型作為氣動(dòng)分析工具的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合研究方法。該模型能夠考慮大迎角和動(dòng)態(tài)失速的影響。利用該方法對(duì)矩形直機(jī)翼的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，從而驗(yàn)證了算法的可靠性。

Unger等[71]發(fā)展了一套基于非定常雷諾平均N-S方程和非線性結(jié)構(gòu)有限元方法的撲翼氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合求解器，研究了固定展向剛度、僅保持弦向柔性特性的沉浮/俯仰運(yùn)動(dòng)撲翼的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合特性，發(fā)現(xiàn)柔性撲翼模型的上下表面層流分離泡從后緣有向前緣移動(dòng)的趨勢(shì)。

西北工業(yè)大學(xué)針對(duì)微型撲翼氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合特性開展了一些研究工作。楊文青等[72]發(fā)展了基于非定常雷諾平均N-S方程和靜態(tài)結(jié)構(gòu)有限元方法的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合求解器，初步研究了考慮柔性變形的微型撲翼氣動(dòng)特性。陳麗利等[73-74]進(jìn)一步發(fā)展了基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方法的撲翼CFD/CSD耦合求解程序，通過考慮慣性力的影響，更準(zhǔn)確地模擬柔性撲翼的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)特性。

6 結(jié) 論

本文綜述了仿生微型撲翼飛行器相關(guān)的空氣動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展，并重點(diǎn)分析了柔性撲翼飛行的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)耦合特性研究?？偟膩碚f，盡管目前相關(guān)的研究手段及氣動(dòng)機(jī)理等方面已經(jīng)取得了相當(dāng)顯著的進(jìn)展，然而在進(jìn)一步研究高性能的仿生微型撲翼飛行器，分析其同時(shí)產(chǎn)生升力和推力、可懸停、高機(jī)動(dòng)飛行，同時(shí)又節(jié)約能量的種種優(yōu)越特性時(shí)，研究者需要開展撲翼流固耦合特性及相關(guān)的非定常空氣動(dòng)力學(xué)等所必須的試驗(yàn)、計(jì)算與理論分析，更進(jìn)一步的研究具體體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

(1) 仿生微型撲翼飛行器小尺度與低速度帶來的低雷諾數(shù)空氣動(dòng)力學(xué)問題，同時(shí)撲翼與柔性翼還帶來了非定常流動(dòng)問題。微型飛行器所處的雷諾數(shù)為103～105量級(jí)，根據(jù)Mueller[75]的研究，屬于對(duì)轉(zhuǎn)捩與湍流非常敏感的區(qū)域，相關(guān)的氣動(dòng)機(jī)理復(fù)雜。

(2) 微型柔性翼在飛行中密切相關(guān)的動(dòng)氣動(dòng)彈性問題。柔性變形可以顯著影響柔性翼的氣動(dòng)特性，包括固定翼和撲翼，在飛行中產(chǎn)生特殊的氣動(dòng)現(xiàn)象，如柔性固定翼的后緣振動(dòng)及柔性撲翼的大幅度動(dòng)態(tài)變形。當(dāng)飛行器的尺度改變時(shí)，由于柔性結(jié)構(gòu)特性使得尺度參數(shù)不能同時(shí)保證。所以為了開展精確的測(cè)試，很多研究都無法采用縮比模型研究，研究受到很多限制。因此建立準(zhǔn)確的計(jì)算模型就顯得十分重要，且更適合用于優(yōu)化設(shè)計(jì)和增強(qiáng)魯棒性的研究。

(3) 高機(jī)動(dòng)性的研究，及其帶來的動(dòng)氣動(dòng)彈性耦合飛行力學(xué)問題。包括起飛、不同速度前飛、突風(fēng)響應(yīng)、懸停、棲息、威脅躲避、位置跟蹤、載荷變化等情況，需同時(shí)考慮身體和翼的相對(duì)運(yùn)動(dòng)變化?？山梃b自然界生物的尺度和撲動(dòng)模式的變化，需在運(yùn)動(dòng)規(guī)律與氣動(dòng)特性的影響方面進(jìn)行深入研究并加深理解。

(4) 撲翼飛行的動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性影響，對(duì)應(yīng)的閉環(huán)主動(dòng)控制，以達(dá)到所需的氣動(dòng)性能，減少擾動(dòng)對(duì)飛行的影響。撲翼飛行的復(fù)雜姿態(tài)及產(chǎn)生的氣動(dòng)力對(duì)飛控系統(tǒng)的挑戰(zhàn)及反饋耦合算法的設(shè)計(jì)等。自適應(yīng)控制技術(shù)對(duì)撲翼飛行性能有重要意義，該技術(shù)需要大量的數(shù)據(jù)，此時(shí)還需要建立合適的代理模型來估算柔性撲翼的氣動(dòng)力。

這些層層深入的多學(xué)科耦合難題導(dǎo)致了目前具備的研究手段不能為仿生微型撲翼飛行器的研究提供定量的分析與改進(jìn)設(shè)計(jì)。在解決上述難題的基礎(chǔ)上，未來可進(jìn)一步在高機(jī)動(dòng)靈活飛行姿態(tài)方面進(jìn)行深入研究，對(duì)柔性翼的剛度分布開展詳細(xì)設(shè)計(jì)，使仿生飛行器具有像自然界飛行生物一樣的主動(dòng)變形能力，可在復(fù)雜的環(huán)境下具備高機(jī)動(dòng)飛行能力，最終實(shí)現(xiàn)高仿生外形和性能的人造飛鳥或人造飛蟲。

以上分析可以看出，目前的成果像是冰山一角般揭開了仿生撲翼飛行相關(guān)研究的序幕，未來需要科研工作者積極探索，開展更加深入的研究。

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(編輯：張巧蕓)

The progress and challenges of aerodynamics in the bionic flapping-wing micro air vehicle

Yang Wenqing1,*, Song Bifeng1, Song Wenping1, Chen Lili2

(1. School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China； 2. The First Institute of Aircraft Design, AVIC, Xi’an 710089, China)

The bionic micro air vehicle (MAV) has important applications in military and civilian usage. In recent years, researchers over the world have revealed several unique flight mechanisms, and developed several kinds of bionic micro air vehicles capable of certain flight abilities. In this paper, the aerodynamics progress in the bionic MAV is reviewed; also, the opportunity and challenges faced in the future are analyzed. At present, compared with the natural flyers, manmade bionic MAV is still clumsy and in a lower level, and thus has a large room for improvement. Many problems need to be tackled. The aerodynamics of low Reynolds number flow in unsteady state is one of the main problems. Since the flow is complex in this regime, the numerical simulation and the wind tunnel experiment can hardly model the situation of true flight. There are four concrete problems: (1) the Reynolds number of bionic MAV flows is around 103～105. In this regime, the transition and turbulence are easy to turn up, which makes the flow mechanism complex; (2) the dynamic aero-elastic problem of flexible wing MAV in flight. In this situation, the scaling law is hard when the size is different for the structure and flow has different reference value. It is an essential problem to establish an accurate simulating model; (3) the coupling problem of aero-elasticity and flight dynamics in high maneuverable flight;

(4) the influence of flight attitude of flapping wing on the flight control system increases the complexity of feedback coupling control algorithm. These multi-disciplinary coupling problems make it a challenge to provide high accurate analysis for and improve the design of the bionic MAV. In the future, by solving the above problems, the bionic MAV should have high maneuver ability and can morph actively, like the natural flyers.

Bionic micro air vehicle;low Reynolds number;unsteady aerodynamics;fluid-structure coupling;multi-disciplinary design

1672-9897(2015)03-0001-10

10.11729/syltlx2015ty01

2015-02-27;

2015-03-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11402208)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(310201401JCQ01002)

YangWQ,SongBF,SongWP,etal.Theprogressandchallengesofaerodynamicsinthebionicflapping-wingmicroairvehicle.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(3): 1-10. 楊文青, 宋筆鋒, 宋文萍, 等. 仿生微型撲翼飛行器中的空氣動(dòng)力學(xué)問題研究進(jìn)展與挑戰(zhàn). 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2015, 29(3): 1-10.

V211.3

A

楊文青(1980-)，山西陽泉人，博士，副教授。研究方向：微型飛行器、非定常氣動(dòng)特性。通信地址：陜西省西安市友誼西路127號(hào)120信箱(710072)。E-mail:yangwenqing@nwpu.edu.cn

*通信作者 E-mail: yangwenqing@nwpu.edu.cn