[科普中国]-扑翼系统

研究背景

从古以来，人们对鸟类和昆虫这类飞行生物充满了好奇，从未停止过对这类生物飞行秘密的研究。对于扑翼飞行研究的历史，在我国最早可以追溯到战国时期，在国外最早可以追溯到文艺复兴时期的达·芬奇。此后飞行技术有了长足的发展，热气球和滑翔机相继出现，尤其是固定翼飞机的出现，固定翼飞行技术的逐步成熟，人们在一个相当长的时期内冷落了扑翼飞行的发展。

在20世纪末无人机研究的三次浪潮之后，有关扑翼飞行的研究得以迅速发展。仿生扑翼飞行器是模仿鸟类或昆虫飞行的扑翼飞行模式，是一种伴随着微型化技术、新材料技术、先进加工成型技术和先进机器人技术等快速发展而兴起的新概念飞行器。2

扑翼飞行的气动原理按照扑动频率的高低可以将扑翼飞行分为三类：低频模式、中频模式和高频模式。扑动频率在2~10Hz之间的可以归为低频模式，一些体型较大的鸟类往往采用这种模式。扑动频率在10~50Hz之间的可以归纳为中频模式，主要被如海鸥、鸽子、麻雀等体型中等的鸟类所采用。扑动频率在50Hz以上的可以归为高频模式，采用这种扑动模式的生物往往体重较轻，体型较小，甚至有些种类的昆虫可以达到达到1000Hz。

与其他飞行模式相比，扑翼飞行模式最大的特点就是维持飞行所需的升力和推力是由扑翼在扑动过程中同时提供。右图所示为典型的扑翼翼型产生升力和推力的原理图。气流以恒定速度V∞向扑翼飞行反方向运动，当扑翼以速度Vflap向下扑打时，气流相对扑翼以速度Vflap垂直向上运动。

然而，不同体型的鸟类或昆虫在飞行模式和状态上不尽相同，右图所示的典型扑翼翼型气动力原理仅适用于低频或中频扑动模式。因为扑翼飞行所受的气动力与诸多因素和多种共存的尺度有关，虽然近几十年来人们对扑翼飞行的认识不断深入，但至今仍没有完整的理论体系。2

扑翼系统自身各因素对扑翼气动力的影响扑翼系统自身的各个部分对升阻力和稳定性等都有重要的影响，合理的设计，不仅能够有效的增加升力，提高升阻比，还能增加飞行稳定性。

扑翼影响扑翼是扑翼系统最关键的部分，在飞行中产生升力和推力。

（1）扑翼刚度

早期扑翼研究中，普遍使用单自由度刚性翼模型，所得到的结果升力往往与实际情况有一定的偏差。因为仅仅采用上下扑动的单自由度模式无法维持相对来流。而柔性翼则不同，其在上下扑动的同时还会被动扭转，已有研究证实了柔性翼确实能够提升升推力。然而，引入柔性翼的概念固然好，但柔性程度的控制却是一个难题。

（2）扑翼翼型

扑翼翼型是指机翼的弦向截面形状。目前在固定翼飞行器领域中已经有一套关于翼型的较为完善的理论，但是扑翼飞行与固定翼飞行不同，其理论和经验可以借鉴的并不多，因此仍需研究。2

机身的影响机身对扑翼飞行器的影响类似于固定翼，主要起到分流作用，如右图所示。扑翼飞行器飞行时，相对来流接触机身底部时被迫分流，绕过凸形机身侧面时加大相对来流速度，并在两侧的翼根处产生有效的附加升力。目前国内高校研制的飞行器大多数都没有设计机身，而是直接将左右两翼连接起来，这种设计也能产生附加升力。2

尾翼的影响尾翼对于任何飞行器而言都是至关重要的，它直接关系到飞行器的姿态控制和飞行稳定性的控制。尾翼形式主要有水平尾翼(简称平尾)和垂直尾翼(简称垂尾)，也有V型、双尾翼等不同类型。

（1）平尾的作用

平尾的作用主要体现在飞行器的俯仰飞行运动中。当飞行器以一定的迎角上升时，为保持飞行器的飞行仰角，平尾尾翼的俯仰角通常为负，产生负升力，即产生抬头力矩。相反的，当飞行器下降时，平尾尾翼的俯仰角通常为正，产生正升力。而平尾尾翼俯仰角调节的大小与飞行器设计的飞行速度有关，飞行速度越慢，尾翼俯仰角越大。

（2）垂尾的作用

垂尾的作用主要体现在飞行器转向时，上文已经分析了固定翼飞行器的转向机制，此时垂尾只起到配合副翼协调转向，防止侧滑，而在扑翼飞行器中垂尾的作用与之类似。2