仿生飛行 國際爭(zhēng)先

薛棟

20世紀(jì)中葉，仿生學(xué)作為一門新興的學(xué)科出現(xiàn)在飛行器設(shè)計(jì)領(lǐng)域，它將自然生物與科學(xué)技術(shù)連接到一起。在飛行器的設(shè)計(jì)過程中，大自然為人們提供了現(xiàn)成的學(xué)習(xí)材料：在形態(tài)方面，簡約、優(yōu)美的生物造型為飛行器設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)參考；在功能方面，多樣、復(fù)雜的生物結(jié)構(gòu)體提供了技術(shù)上的解決方案。

飛行器的仿生學(xué)研究成了航空領(lǐng)域的聚焦點(diǎn)，微型仿生飛行器的設(shè)計(jì)和制造水平在一定程度上代表著一個(gè)國家微機(jī)電的工業(yè)水平。相比于國外微型仿生飛行器的研制水平，國內(nèi)在仿生材料、微機(jī)電、控制算法等方面還有較大差距，需要盡快縮短。

我所在的西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院微小型飛行器課題組，從2000年就開始在仿生微型飛行器方面開展研究工作，在仿生空氣動(dòng)力學(xué)的理論和實(shí)驗(yàn)方面，以及仿生微型飛行器的全系統(tǒng)樣機(jī)研制等方面取得了重要突破，并達(dá)到國際先進(jìn)水平。

我曾參加過一個(gè)名為“仿生微型飛行器撲動(dòng)翼上的優(yōu)化”的科研項(xiàng)目。撲動(dòng)翼是仿生飛行器動(dòng)力的全部來源，它既要為飛行器提供克服重力的升力，還需提供飛行器向前飛行的推力，可以說它就是仿生飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，撲動(dòng)翼的設(shè)計(jì)一向是國際性難題，因?yàn)閾鋭?dòng)翼的優(yōu)化設(shè)計(jì)涉及到眾多學(xué)科的耦合，包括空氣動(dòng)力學(xué)、非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、飛行動(dòng)力學(xué)等。每一個(gè)問題都是各自學(xué)科領(lǐng)域的難題，將三者耦合起來，難度更是指數(shù)級(jí)上升。

當(dāng)導(dǎo)師安排給我這個(gè)任務(wù)時(shí)，我心里既興奮又忐忑。這是一次極好的鍛煉機(jī)會(huì)，但課題的難度又讓我在心里打起了嘀咕。下定決心要啃下這塊硬骨頭后，我先通過查詢大量國內(nèi)外文獻(xiàn)，調(diào)研了數(shù)十個(gè)科研機(jī)構(gòu)，將當(dāng)前的研究情況進(jìn)行了全面的了解。由于調(diào)研內(nèi)容充分，還協(xié)助老師申請(qǐng)到了課題組第一個(gè)國家自然科學(xué)基金的面上項(xiàng)目（國家自然科學(xué)基金研究項(xiàng)目系列中的主要部分）和資助經(jīng)費(fèi)。得到這樣的結(jié)果，我更有信心了。

隨后，我們攻關(guān)小組陸續(xù)開展了建模和編程工作，這一過程就像西西弗斯推石上山的故事，每天面臨的都是永無止境的失敗和挫折。每當(dāng)我認(rèn)為自己已經(jīng)調(diào)試成功時(shí)，每次結(jié)果都告訴我這個(gè)答案并不是最好的。幾乎每周，我都經(jīng)歷著“假想成功”的喜悅和測(cè)試失敗的循環(huán)打擊。還好我堅(jiān)持了下來。通過數(shù)個(gè)月巨量的優(yōu)化計(jì)算，我們終于將耦合上述三大問題的模型調(diào)試成功，并設(shè)計(jì)和制作出十余種撲動(dòng)翼。

為了保證科研成果準(zhǔn)確無誤，無論寒暑，我們都堅(jiān)持外場(chǎng)測(cè)試。夏天，西安野外的氣溫高達(dá)四十多度，為了保證仿生飛行器在飛行過程中不出意外，我們必須全程站在烈日下緊盯飛機(jī)，因?yàn)槿魏斡嘘帥龅牡胤蕉伎赡苷趽跻暰€。測(cè)試時(shí)，我的眼睛更是不敢多眨一下，生怕飛機(jī)在那一瞬間有意外發(fā)生，畢竟每一架飛機(jī)都是我們數(shù)個(gè)月的汗水結(jié)晶。

經(jīng)過數(shù)月的外場(chǎng)測(cè)試和迭代改進(jìn)，2017年底，我們攻關(guān)小組終于在理論和飛行試驗(yàn)方面取得了重要進(jìn)展，將飛行器原有性能提高了13個(gè)百分點(diǎn)。

這只是我們科研工作中的一個(gè)片段，雖然很苦，但我心里的成就感卻隨著時(shí)間的推移變得越來越大。仿生學(xué)是未來飛行器設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，它既可以解決實(shí)際問題，又可以減少對(duì)環(huán)境的負(fù)重。對(duì)飛行器的外形、材料、結(jié)構(gòu)等方面的仿生研究，都會(huì)使設(shè)計(jì)走向一條可持續(xù)發(fā)展的道路。通過不斷努力，實(shí)現(xiàn)仿生飛行器設(shè)計(jì)水平和制造水平的彎道超車，是我們義不容辭的責(zé)任和使命。

黨的十九大報(bào)告中指出，“創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，是建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系的戰(zhàn)略支撐。要瞄準(zhǔn)世界科技前沿，強(qiáng)化基礎(chǔ)研究，實(shí)現(xiàn)前瞻性基礎(chǔ)研究、引領(lǐng)性原創(chuàng)成果重大突破。”