微型飞行器的仿生力学-昆虫飞行的力学机理

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1、微型飞行器的仿生力学－昆虫飞行的力学机理北京航空航天大学流体所孙孙茂茂飞得更快〈跨大气层空天飞行器〉更机动（俄Su-47，第五代战斗机，大攻角超机动性能，超声速巡航能力）更隐身（典型飞机的RCS对比）更节能，噪音更小，更环保((gBoeing787:787:Mach0.85Mach0.85,,pmadeofcarboncompositematerial,lighter,fuelefficient)分米量级厘米量级更小－－－－微型飞行器微型飞行器(MAV)(20(20世纪末，各种先进微型制造技术、微机电系统、世纪末，各种先进微型制造技术、微机电系统、微电

2、子技术和微型一体化技术有了迅速发展---MAV。)1998-2008美国海军实验室的MITEAerovironment公司的“黑寡妇”斯坦福大学的“Mesicopter”伯克利的“微机械飞虫”（MFI）加州工学院的“Microbat”Sander公司的“微星”ArecentprototypeoftheHarvardMicrobioticFly3cmwingspanTheHarvardMicroroboticsFly,3cmwingspan.TheHarvardMicroroboticsLab(2010.9)军事用途战场侦察毁伤评估敌我识别生化探测信息干扰对

3、地攻击成千上万的MAV形成“云团”，可实施极有效的电子干扰（电子战），还可以攻击可载人的飞行器及其它目标（“火蚁战争”）。有军事理论家认为，MAV会改变未来的战争模式。(2003年文)民用方面灾害监测环境研究民用方面农业勘查通信中继反恐缉毒交通监控可见，MAV的发展在未来国家安全和国民经济建议等方面将起至关重要的作用，已在世界范围内引起极大的关注。若采用传统气动布局和飞行方式：低雷诺数下不能产生足够的升力（有如通常飞机在蜂蜜中飞行）；大气脉动速度与飞行速度同量级（有如巨浪中的小船）。因而，应寻求空气动力学和飞行力学的新概念。相同尺寸的动物：昆虫、尺寸小的鸟

4、和蝙蝠，是飞行的佼佼者（movie），是大自然创造的“微型飞行器”，在数亿年的飞行史中，经过自然界的不断“实验”和“选择”，在运动方式，利用“新奇”的力学原理等方面，达到了完美的程度。MAV应向它们借鉴。蜂蝇快速转向，5%秒转90度（北航张艳来拍摄）食蚜蝇悬停飞行（北航牟小垒拍摄）这就是有必要首先弄清动物飞行的流体力学和动力学机理。微型飞行器的仿生力学微型飞行器的仿生力学。。（研究小动物飞行的力学原理，为MAV提供新原理和新概念新原理和新概念，，谓之谓之MAV仿生力学仿生力学））Gray-facedBuzzardOrvilleWright’s12milef

5、lightonSept29th1905Oct5th–39kmin39minutes早期的飞机模仿大鸟（气动布局）WilburWilburWrighttoOctaveChanuteWilburWrighttoOctaveChanuteDaytonMay13Dayton,May13th1900“Myobservationoftheflightofbuzzardsleadsmmyetobelievethattheyreggaintheirlateralbalance,whenpartlyoverturnedbyagustofwindbytorsionofthet

6、ipsbyagustofwind,bytorsionofthetipsofthewings.Iftherearedgeoftherihtintipititdpightwingtipistwistedupwardndthdandtheleftdownward,thebirdbecomesananimatedwindmillandinstantlybeginstoturn,,galinefromitsheadtoitstailbeingtheaxis.”Flyingthe1900GliderasaKite翼梢小翼昆虫飞行的昆虫飞行的流体力学和动力学原理（昆虫是

7、怎样飞行的）工程（微型飞行器）生物学人们身边常有昆虫飞过。小的，小米粒般大小；大的，比如蜻蜓，翅长不过5厘米。它们能悬停、跃升、急停、快速加速和转弯。惊叹其高超飞行技能之余，不禁会想，支持昆虫体重，甚至比体重大得多的力是如何产生的呢？为何飞得平稳，又如此机动？事实上，只是在最近，科学家才对此问题有了一些了解。翅膀的拍动大蚊悬停飞行剑桥大学，Ellington1984Ellington,1984蜂蝇悬停飞行(北航，刘彦鹏拍摄,2004）翅膀拍动角x(x)b3身体欧拉角y1x2y,y23x1ybzyEbx形态学参数：体重，重心Ez3位置,转动惯量，等等。

8、z,zzE12yzyz'y'o'xOx'R拍动平面;拍动角