微型飛行器：像昆蟲那樣飛

　　核心提示

　　鳥兒善飛，人所共知，但小小的飛行昆蟲更是名副其實的“飛行家”。試想，微小的身體能夠迎風(fēng)飛行，那得需要自身產(chǎn)生多大的推力！不僅如此，懸停、倒飛、急轉(zhuǎn)，更是它們的絕活。當(dāng)科學(xué)家對它們進行仿生研究后驚嘆：仿昆飛行將引發(fā)航空科學(xué)的巨大進步。

　　懸停直升倒飛……昆蟲飛行很有特點

　　遼寧日報：人們一直以來把鳥兒看作是“飛”的象征，不斷地對鳥兒的生理結(jié)構(gòu)和飛行原理進行研究，并借助現(xiàn)代科技手段成功研制成各種飛機，實現(xiàn)了飛行的夢想，但我們也注意到，除鳥兒以外許多飛行昆蟲的飛行也很有特點，您是研究昆蟲飛行原理的專家，首先想請教您的是，飛行昆蟲，比如蜜蜂、蒼蠅、蜻蜓等與鳥兒的飛行比，有什么特點？

　　孫茂：這些昆蟲身體微小，飛行速度較鳥兒要慢得多，但是如果我們細心觀察就會發(fā)現(xiàn)，它們有著鳥兒飛行所不具備的一些特點，如懸停、直升、加速猛沖以小于自身長度的半徑轉(zhuǎn)彎等，某些蒼蠅能倒著起飛、倒著降落，也就是說，從飛的形態(tài)和特點上來說，其機動性和靈活性方面有著鳥兒無可比擬的優(yōu)勢。

　　遼寧日報：這是否就是我們要研究昆蟲飛行的緣由？

　　孫茂：是的，不要小看了昆蟲的慢速飛行以及懸停、直升，這里面蘊含著與鳥兒不一樣的飛行機理，非常奇妙，比如，基于傳統(tǒng)的空氣動力學(xué)理論的計算發(fā)現(xiàn)，果蠅翅膀的最大升力系數(shù)只有約0.6，單就這個力的大小來說，不夠平衡昆蟲的重量，更不能提供機動飛行所需的附加氣動力。也就是說，用傳統(tǒng)的理論不能解釋昆蟲飛行這一現(xiàn)象，它們自己有一套飛行中產(chǎn)生和控制空氣動力的機制。

　　遼寧日報：有的鳥兒可以翱翔，而昆蟲卻不能。

　　孫茂：就飛行機制來說一般有兩種，一種是翱翔，一種是通過拍動翅膀(撲翼)來產(chǎn)生飛行的力。有些大鳥可以利用上升氣流從而不費力地滑翔，而昆蟲飛行卻完全靠撲翼，所需空氣動力主要來自往復(fù)撲動的翅膀與周圍空氣間的相互作用。而同樣是撲翼，鳥兒的撲翼和昆蟲的撲翼也是不同的。

　　遼寧日報：提到拍動翅膀，我們首先會想到的是鳥兒和飛行昆蟲的翅膀是不同的，它們是否在利用翅膀方面有所不同？

　　孫茂：鳥兒的翅膀有羽毛，相對面積較大，而且能夠收展伸縮、彎曲成弧，這樣的翅膀上下扇動就會產(chǎn)生較大的推力，使鳥體快速向前飛行；鳥，特別是大鳥，產(chǎn)生的空氣流動近似是恒定的，我們稱為準(zhǔn)定常流；而昆蟲的翅膀由膜質(zhì)表皮構(gòu)成，有翅脈，似兩層薄紙夾著支棍的風(fēng)箏構(gòu)造，這樣的翅膀大小恒定，略顯僵硬，但可以作一定角度的旋轉(zhuǎn)，也正是由于這個功能，翅膀可作上、下、前、后的高速拍動，這種拍動，產(chǎn)生了鳥兒所不能的飛行特技，創(chuàng)造了一個更復(fù)雜的空氣動力機制，從飛行仿生角度來看，會給我們更多的啟示。

　　昆蟲翅膀快速旋轉(zhuǎn)、拍動，靠“渦”飛行的機制給我們以啟示

　　遼寧日報：既然我們要研究昆蟲飛行、研究仿生，首先有一個問題，就是要對它的飛行有一個觀測，那么如何對這個“細微”的飛行實現(xiàn)觀測？

　　孫茂：飛行要借助空氣，所以我們運用流體力學(xué)理論來研究它的飛行，觀測的方法是將要觀測的昆蟲置于箱子里(稱為“飛行箱”)，用高速攝像機記錄下其飛行狀態(tài)，然后進行圖像處理和圖像分析，有了昆蟲的運動學(xué)數(shù)據(jù)后，再用空氣動力學(xué)進行研究和計算。

　　遼寧日報：通過科學(xué)研究，我們發(fā)現(xiàn)昆蟲飛行時翅膀的拍動到底有什么特點？

　　孫茂：昆蟲要想在空中不“掉下來”，就要有一個平衡重量的升力，而要想飛行，至少還要有一個克服身體阻力的推進力，那么我們就來看看這兩個力是如何形成的。許多昆蟲飛行時，其翅膀可視為一個平板，在一個向前傾斜的平面內(nèi)高頻率地拍動，較大的昆蟲(例如蜻蜓)翅膀每秒鐘拍動20～30次，十分小的昆蟲可達500～600次。我們以果蠅為例，它在中快速飛行中，翅膀向前下方拍動時，產(chǎn)生一小的推進力和一較大的舉力，之后，翅翻轉(zhuǎn)，向后上拍動，產(chǎn)生一小的升力和一較大的推進力，就這樣，翅膀通過轉(zhuǎn)動改變其方位角來維持往復(fù)拍動，產(chǎn)生大小不斷變化的舉力和推進力，以至利用這些力來實現(xiàn)各種飛行行為；另外，我們發(fā)現(xiàn)在不同階段，它還通過三種巧妙的方式產(chǎn)生了高升力，拍動初始階段，通過翅的拍動快速加速以產(chǎn)生升力；翅在啟動后通過周向轉(zhuǎn)動和變形，產(chǎn)生較大的升力，在拍動結(jié)束階段，翅的快速上仰運動產(chǎn)生升力。

　　遼寧日報：力是產(chǎn)生了，但您剛才也提到一點，產(chǎn)生這個力是否足夠大、是否能支撐飛行？

　　孫茂：簡單的上下?lián)鋭语@然是不可能產(chǎn)生有效的升力的，奧秘就在于翅在撲動過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)。昆蟲的翅往往具有一定的柔性和彈性，在振動過程中受力的作用將發(fā)生變形，翅根部的肌肉張緊使翅內(nèi)旋或外旋，這樣就會形成連續(xù)、高速、旋轉(zhuǎn)式的拍動，使空氣的氣流形成一個流體的“渦”，具體說，它們在小拍動幅角前飛時，翅膀向前拍動后形成一個比較完整的渦環(huán)，翅膀向后拍動后形成一個不完整的渦環(huán)，這樣，多次拍動形成頭尾相接的“Z”形渦環(huán)鏈。該渦環(huán)隨時間擴大，這就是物理學(xué)上的“非常定流”；而這個“渦”產(chǎn)生的力是很強大的，我們可以形象地想一下龍卷風(fēng)、江河里的漩渦等，就會有所體會。當(dāng)然，動物界類似的“渦”還有許多，如鳥類水平向前飛行時的尾渦、魚類的胸鰭快速游動時形成一串連接在一起的渦環(huán)，這些渦對飛、對游都產(chǎn)生了巨大的動力。

　　遼寧日報：昆蟲特有的懸停飛行是否也是這個渦在起作用？

　　孫茂：是的，蜜蜂、果蠅在懸停飛行時，拍動平面是水平的(沒有向前飛時的斜角)，向前拍動和向后拍動的阻力大小相同但方向相反，拍動一周期中的平均值為零，因而，翅膀上平均氣動力是垂直向上的，其平衡昆蟲身體重量，而且它們不斷地調(diào)整其翅膀的拍動幅度、翅膀迎角等來進行有效的控制，形成動態(tài)的穩(wěn)定。

　　各國爭先研制發(fā)展隱蔽、靈活的仿昆蟲式微型飛行器

　　遼寧日報：看來，蜜蜂、果蠅的飛行，無論從動力機制、身體構(gòu)造及飛行形態(tài)來說都是很奇特的，這對我們有什么啟示？

　　孫茂：昆蟲的飛行十分復(fù)雜和精妙，在構(gòu)造形態(tài)、運動方式、利用空氣動力等方面，達到了完美的程度，這是經(jīng)過數(shù)億年的生物飛行過程，不斷“實驗”和“選擇”的結(jié)果，是任何現(xiàn)有的人類飛行器無法比擬的，我們越研究就越覺得它們不簡單，而現(xiàn)在的研究可以說只揭示了昆蟲飛行理論的“冰山一角”，很多問題有待探索，但就是這 “冰山一角”，也為我們呈現(xiàn)出空氣動力學(xué)的一個嶄新的領(lǐng)域和境界。而大自然給我們設(shè)定了一個理想的飛行狀態(tài)，那么我們就要用科學(xué)手段去認識這個飛行的奧秘，使飛行理論有所突破，同時希望能像昆蟲那樣飛行，當(dāng)然并不是人自身，而是從仿生學(xué)的角度，制造出一種機械的微型飛行器，完成昆蟲式的飛行。

　　遼寧日報：多大尺寸的飛行器可稱為微型飛行器？微型飛行器必須要模仿昆蟲嗎？

　　孫茂：模仿鳥的大型飛機早已研制成功，技術(shù)相對成熟，微型飛行器(MAV)是上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種新型飛行器，最初尺寸為10厘米大小，但身軀變小的趨勢越來越明顯，目前甚至以制造蜜蜂大小的飛行器為目標(biāo)。這種微型“飛機”并不是簡單地把大飛機按比例縮小，大飛機飛行的空氣動力原理根本對它不起作用，也就是說在空氣動力原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計、動力系統(tǒng)、裝置設(shè)備等多個方面與大飛機迥然有異，甚至可以說是全新的系統(tǒng)。要想完成這個系統(tǒng)，最關(guān)鍵的就是一套全新的空氣動力學(xué)機制和機械微加工技術(shù)。在動力機制方面，飛行昆蟲的結(jié)構(gòu)和撲翼飛行機理正好為此提供了多方面有益的啟示和解決關(guān)鍵技術(shù)問題的途徑，科學(xué)家正深入研究和總結(jié)其規(guī)律及作用機理以指導(dǎo)微型飛行器的研制。

　　遼寧日報：據(jù)了解，西方發(fā)達國家對此十分重視，微型飛行器的研制已成為各國競相發(fā)展的高科技領(lǐng)域，那么微型飛行器有怎樣的用途？

　　孫茂：微型飛行器涉及流體力學(xué)理論、仿生學(xué)及機械設(shè)計、微加工、微動力、微能源、新材料、信息傳輸?shù)榷喾N高精尖技術(shù)，所以以微型飛行器為目標(biāo)，在研發(fā)過程中必然帶動這些學(xué)科技術(shù)的發(fā)展和飛躍。同時，就微型飛行器本身來說，其在軍事上的意義十分巨大，可以想象，如果像蜜蜂一樣大小和形狀的飛行器投入軍事，將給偵察、監(jiān)控、電子干擾、生物制品攜帶等帶來極大的便利，因為它們體積微小、隱蔽性好、靈活性高，極難為對方察覺，能對戰(zhàn)爭的勝負起到重要的作用。當(dāng)然，基于這一特點，它也可以在民用的許多領(lǐng)域施展身手，比如醫(yī)療、通信、農(nóng)業(yè)勘探、自然災(zāi)害和特種環(huán)境監(jiān)測等。正因有著巨大的應(yīng)用前景，微型飛行器一直受到各國的高度重視，比如在美國，從上世紀(jì)90年代末，已經(jīng)實施多個微型飛行器研究計劃，從事該項研究的高等院校和研究單位已達150余家，發(fā)展非常迅速，在很短時間內(nèi)，就研制出一批性能優(yōu)良的試驗樣機，并不斷改進，在國際上處于領(lǐng)先地位。我國也正加緊昆蟲飛行原理和微型飛行器的研究，這一研究受到國家科學(xué)計劃的大力支持，但鑒于其艱巨性及重要作用，我們必須在昆蟲飛行機理及微加工等方面，以百倍的努力來迎接這份挑戰(zhàn)。

　　專家檔案

　　孫茂 北京航空航天大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。流體力學(xué)研究所所長，流體力學(xué)教育部重點實驗室主任。目前從事的研究領(lǐng)域為仿生流體力學(xué)，為微型飛行器提供氣動布局和控制方式的新概念；兼任中國力學(xué)學(xué)會流體力學(xué)專業(yè)委員會副主任、教育部力學(xué)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會委員等職。

　　記者／劉洪宇