项目名称： 微型飞行器的仿生流体力学研究

推荐单位： 专家推荐

项目简介： 本项目属力学学科，主要研究昆虫飞行的高升力机理，能耗机制及动稳定性，旨在为微型飞行器这一新型飞行器提供力学理论基础，同时，为昆虫的生物学研究提供力学依据。

主要发现点为：（1）揭示了二个非定常高升力的新机制：一是拍动初期的快速加速效应；二是拍动结束阶段翅膀的快速上仰效应。指出它们与他人发现的不失速机制一起，构成拍动翅产生高升力的三个主要机制。（2）表明了影响不同昆虫拍动翅的气动力系数的主控参数为雷诺数（Re），Re在约100（翅长约在1-2mm）以上的昆虫，尽管尺寸相差数十倍，体重相差几千倍，一般都是用上述三个机制产生气动力的。（3）表明了不同昆虫的比功率（需用功率除以质量）在20-40 W/kg之间，飞行的能耗随飞行速度的变化关系近似为"J"形曲线，而不像飞机的那样为U形曲线。（4）揭示了蝇、蜂等昆虫悬停飞行的纵向扰动运动由三个特征模态构成：不稳定振荡模态，快衰减模态，慢衰减模态；从而飞行是动不稳定的（其稳定飞行是由主动控制获得的；这一结果可解释昆虫为何悬停得很平稳，同时机动性也很好）。

以上发现解决了仿昆虫微型飞行器的力学基础问题：对高升力机理的认识，可为仿昆虫微型飞行器的研制提供如何确定拍动翼几何形状，飞行器的重量和尺寸，拍动翼的运动参数等方面的指导；关于能耗的认识，可提供如何选择动力系统、确定续航时间方面的指导；对飞行动稳定性的认识，为仿昆虫微型飞行器的控制提供了理论基础。同时，这些认识为昆虫生理学、行为学、神经生物学等的研究提供了力学依据。

关于高升力机制的结果，被国际著名刊物 J. Exp. Biol. 选入其Highlights in 2002，作为"突出成果"介绍；并被收入两部外文专著中。关于昆虫飞行的能耗的工作，被哈佛大学著名生物力学家 E. Tytell 在 J. Exp. Biol. 的评论专栏中撰文介绍。国内外权威综述、评论学术刊物的文章及一些著名刊物的综述文章，多处介绍和引用了我们的成果。

主要发现点： 1．核心发现点

（1）揭示了二个非定常高升力的新机制：一是拍动初期的快速加速效应；二是拍动结束阶段翅膀的快速上仰效应。指出它们与他人发现的不失速机制一起，构成拍动翅产生高升力的三个主要机制。（附件1-1）

（2）表明了影响不同昆虫拍动翅的气动力系数的主控参数为雷诺数（Re）， Re在约100（翅长约在1-2mm）以上的昆虫，尽管尺寸相差数十倍，体重相差几千倍，一般都是用上述三个机制产生气动力的。（附件1-2及1-5）

（3）表明了不同昆虫的比功率（需用功率除以质量）在20-40 W/kg之间；飞行的能耗随飞行速度的变化关系近似为"J"形曲线，而不像飞机的那样为U形曲线。（附件1-3，1-4和1-5）

（4）揭示了蝇、蜂等昆虫悬停飞行的纵向扰动运动由三个特征模态构成：不稳定振荡模态，快衰减模态，慢衰减模态；从而飞行是动不稳定的（其稳定飞行是由主动控制获得的；这一结果可解释昆虫为何悬停得很平稳，同时机动性也很好）。（附件1-6）

2．其他重要发现点

（1）认识到微小昆虫（Re在几十，翅长约在1mm以下的昆虫），除上述三个机制外，还需要其它高升力机制；例如，微小昆虫台湾小黄峰是用"合扰/打开"机制，使升力较常规拍动的大35%-40%。（附件1-9和1-10）

（2）发现蜻蜓飞行时前后翅的气动干扰并不强而且是有害的干扰。这一结论与人们一直猜想的"干扰作用很大并是十分有利的"不同。解释了干扰弱的原因是：在拍动中，后翅总是超前于前翅，从而两翅避开了对方尾涡的有害干扰。（附件1-7和1-8）

（3）认识到昆虫前飞时，以及用倾斜拍动平面悬停时（如蜻蜓），既用升力原理，也用阻力原理来产生平衡其重量的垂直力和克服身体阻力的推力，不像人造飞行器那样，只用升力原理产生举力与推力。（附件1-3，1-7和1-8）

（4） "小型"昆虫（如果蝇）以及翼拍动频率较小的"中型"和"大型"昆虫（如大蚊），能耗的主要部分用于克服气动力做功，肌肉的弹性储能作用对比功率的影响很小；对于翼拍动频率较大的中型和大型昆虫（如食蚜蝇），能耗的主要部分用于克服翼的惯性力做功，肌肉的弹性储能作用会使比功率减少约30%。（附件1-5）

主要完成人： 孙茂

该项目各主要发现点均主要由本人做出；所提交的10 篇代表性论文中，所有的论文本人均为通讯作者，8 篇本人为第一作者。 本人在该项目研究中的工作量占本人工作时间的百分之九十。