仿生微型撲翼飛行器中的空氣動力學問題研究進展與挑戰(zhàn)

楊文青, 宋筆鋒, 宋文萍, 陳利麗

(1. 西北工業(yè)大學 航空學院, 西安 710072; 2. 中國航空工業(yè)集團公司 第一飛機設計研究院, 西安 710089)

特約

仿生微型撲翼飛行器中的空氣動力學問題研究進展與挑戰(zhàn)

楊文青1，*, 宋筆鋒1, 宋文萍1, 陳利麗2

(1. 西北工業(yè)大學 航空學院, 西安 710072; 2. 中國航空工業(yè)集團公司 第一飛機設計研究院, 西安 710089)

對仿生微型撲翼飛行器相關的空氣動力學問題的研究進展進行了綜述，并分析了未來發(fā)展面臨的機遇與挑戰(zhàn)。與自然界的飛行生物相比，目前仿生撲翼飛行器的飛行能力還很笨拙，距離高仿生還有較大距離。其中，所涉及的低雷諾數非定常空氣動力學問題成為研究者在深入研究時面臨的一個主要難題，關鍵在于數值模擬和風洞實驗均難以準確模擬飛行中的實際狀態(tài)。具體面臨的難題主要包括：(1) 仿生微型撲翼飛行器所處的雷諾數為103～105量級，屬于對轉捩與湍流非常敏感的區(qū)域，相關的氣動機理復雜；(2) 柔性翼在飛行中密切相關的動氣動彈性問題；(3) 高機動飛行導致的動氣動彈性耦合飛行力學問題；(4) 撲翼飛行的復雜姿態(tài)對飛控系統(tǒng)的挑戰(zhàn)及反饋耦合算法的設計等。這些層層深入的多學科耦合難題導致了目前具備的研究手段難以為仿生撲翼飛行器的研究提供定量的分析與改進設計。在解決上述難題的基礎上，未來可進一步在高機動靈活飛行姿態(tài)方面進行深入研究，對仿生柔性翼的剛度分布開展詳細設計，使仿生撲翼飛行器具有像自然界飛行生物一樣的主動變形能力，可在復雜的環(huán)境下具備高機動飛行能力，最終實現高仿生外形和性能的人造飛鳥或人造飛蟲。

微型仿生飛行器；低雷諾數；非定常氣動力；氣動結構耦合；多學科設計

0 引 言

微型仿生飛行器由于突出的仿生外形和飛行特性，以及小尺寸具有的機動靈活性，有望為環(huán)境監(jiān)測、安保監(jiān)控等重要應用的信息獲取方式帶來革命性的改進[1-2]。從本世紀初掀起的微型飛行器研究熱潮到如今，經過十幾年的發(fā)展，微型仿生飛行器的研究已經取得了相當的進展。撲翼飛行器是仿生飛行器的代表，與傳統(tǒng)飛行器的飛行方式不同，它采用自然界生物的撲動翼的飛行方式來同時產生飛行所需的升力和推力。具有合適外形、剛度及運動方式的撲翼可以產生理想的升力和推力，從飛行生物身上可以看到撲翼飛行的潛力，比如小小的蜜蜂可以帶動比自身更重的花粉來飛行，老鷹甚至可以帶動一只山羊飛行。且撲翼飛行可隨時調整撲動的頻率、幅度以適應不同的飛行狀況，甚至可以停止撲動采用滑翔飛行方式來節(jié)省體能。

由于微型飛行器質量小、飛行速度低，突風對其飛行性能影響非常大，而采用柔性翼結構后，遭遇突風產生相應變形可以起到一定的抗風作用[3-4]。柔性結構還可以充分利用結構變形對氣動力的重新分布影響進行詳細設計，進而改進飛行器的氣動性能。飛行生物也采用了柔性翼結構，用于抵抗突風，提高飛行的機動能力。

撲翼飛行的一個重要優(yōu)勢是可以充分利用渦的能量。對于傳統(tǒng)固定翼飛行器而言，翼尖渦會消耗能量，所以采用翼稍小翼等技術將其影響盡量減小。但對于撲翼，翼尖渦卻可以和前緣渦同時作用，起到增強升力的效果。柔性結構的撲翼，弦向結構變形導致氣動力重新分布，可顯著增強推力。沿著展向的結構變形會改變迎角在展向的分布，同時改變所產生氣動力的相位。

前飛時柔性撲翼的推力主要包括2部分，前緣吸力和由于弦向變形導致的壓力分布變化。當翼型后部的柔性變形增加時，可以增加推力的分量，效果相當于增加了有效迎角。當弦向柔性在一定范圍內增加時，盡管有效迎角和總氣動力由于弦向外形變化而減少，但平均推力和瞬時推力都會由于氣動力方向的改變而顯著增加。對于展向柔性變形，在一定的合適范圍內，可以增加推力。

翼型和翼面形狀對撲翼的氣動特性影響顯著，涌現出大量關于不同外形撲翼結構柔性特性的研究。理論上結構變形有一個合適范圍，可以改善氣動特性。但該方面還需要開展深入的工作，以了解結構柔性變形和氣動性能的影響機理，特別是在遭遇不可預見突風等復雜情況下。

由于柔性翼對飛行器的氣動特性有顯著的影響，眾多文獻都展開了研究，但目前的研究還僅限于探索性的初步研究，很多關鍵的研究問題尚未解決，突出的難點包括：幾何非線性的作用及結構各向異性如何影響撲翼飛行的空氣動力學特性；撲翼飛行如何通過結構變形提高穩(wěn)定性等。

上述問題均不是獨立存在，而是需要在撲翼飛行器設計的運動學、動力學及柔性結構特性等多個方面同時開展深入的綜合研究，才能設計出具有高性能的飛行器。

有大量的文獻表明關于上述內容已經開展了相關的研究。近年來，已發(fā)表的研究內容也有逐步深入和細化的趨勢。本文的目的是綜述目前相關的氣動特性研究進展，并指出未來研究的發(fā)展方向，及面臨的難點與挑戰(zhàn)。

1 尺度律與關鍵無量綱參數

尺度律的研究對于減少參數數量，清晰描述一個系統(tǒng)的參數特性有重要意義，可以指出各參數的重要性[5]。對于撲翼的研究，主要的無量綱參數為：

(1) 雷諾數Re

描述的是慣性力和粘性力的比值。定義為：

式中：ρf為流體密度，Lref為參考長度，Uref為參考速度，μ為粘性系數。

在撲翼飛行中，由于升力和推力都是依靠撲翼的撲動運動而產生，參考長度通常取平均氣動弦長，參考時間取撲動周期，參考速度需要根據飛行情況和翼的運動規(guī)律來決定。

懸停飛行時，參考速度取翼尖平均速度。此時，雷諾數的形式如公式(2)所示，與撲動幅度、撲動頻率、平均氣動弦長的平方及展弦比成正比。

式中：AR為展弦比，Φ為撲動幅度，f為撲動頻率，cm為平均氣動弦長。

前飛時，參考速度有多種考慮，可以用前飛速度或者翼尖平均撲動速度。當選擇前飛速度作為參考速度時，雷諾數的形式如公式(3)所示，正比于平均氣動弦長和飛行速度，與撲動頻率和撲動幅度無關。

式中：U∞為前飛速度或來流速度。

(2) 斯特勞哈爾數St

描述的是前飛速度和撲動速度的比值。該參數描述了飛行中渦量脫落的效果[6]。對于撲翼飛行，該參數定義為：

從定義可以看出，該參數可以作為撲翼前飛時推進效率的度量。

(3)減縮頻率k

描述的是撲動運動的非定常度，含義為流體擾動的空間尺度與弦長的比較[7]。定義為：

當參考翼尖平均速度時，減縮頻率可以表示為：

注意到該定義中減縮頻率和撲動幅度及展弦比成反比，和撲動頻率無關。

當參考前飛速度時，減縮頻率可以表達為：

此時，減縮頻率正比于撲動頻率和平均氣動弦長，與飛行速度成反比。前飛速度作為參考值時，減縮頻率和斯特勞哈爾數的關系為：

總的來說，在幾何相似的前提下，基于2種參考速度的撲翼飛行尺度律如表1所示。可以根據表1各個參數的依賴關系來研究其影響規(guī)律。

表1 撲翼無量綱參數的尺度依賴Table 1 Dimensionless parameters and size dependence of flapping wing

2 重要的撲翼非定常氣動機理

自然界飛行生物利用高效飛行機制同時產生升力和推力來飛行。影響這些機制的主要因素包括流動產生的渦的脫落方式，翼的外形及結構的柔性，需要深入分析翼渦交互作用及流固耦合的影響關系。本節(jié)總結了文獻中提到較多的非定常流動機理。

(1) 拍-揮機制

Weis-Fogh[8]提出了昆蟲產生高升力機制。通過觀察一種小蜂的飛行得知，小蜂首先將兩翅拍到一起，然后再迅速揮動開，使得空氣可以充滿間隙。基于定常估算，該蜂翅膀產生的升力不可能支持其飛行。Weis-Fogh認為在揮動運動中，翅膀快速打開后，繞翅膀的空氣形成了環(huán)量產生了升力，如圖1所示。Lighthill[9]通過理論分析，Lehmann[10]通過試驗驗證了該現象，還有數值模擬的研究成果也證明了該機理[11]。拍-揮機制增強升力主要依靠撲動運動，可有效利用能量，自然界很多生物都依靠這種機制產生升力，如飛蛾、蝴蝶、果蠅等[12]。

圖1 撲翼的拍-揮機制

(2) 快速旋轉

Dickinson等[13]發(fā)現，在每次撲動結束時刻，昆蟲的撲翼通常會有一個快速旋轉的運動，可增強氣動力，如圖2所示。通過控制平移運動和旋轉運動的相位差來實現，如果在撲動運動結束前就朝正確方向快速翻轉即可有效增強升力，稱為提前旋轉。如果推后旋轉，則會減小升力[14]，快速的旋轉可以有效增加升力[15]。

圖2 撲翼的快速旋轉機制

(3) 前緣渦導致的失速延遲

Ellington等[16]提出前緣渦導致的失速延遲可以顯著增強撲翼產生的升力。他觀察到鷹蛾翅膀上的失速渦在整個拍動過程中均不脫落。前緣渦使得翼面產生低壓區(qū)，對翼表面產生吸力因而可以增加升力，如圖3所示。但前緣渦受到很多參數的影響，雷諾數、減縮頻率、斯特勞哈爾數、翼的柔性以及撲動規(guī)律等。Rival等[17]利用PIV方法試驗研究了雷諾數為30000時前緣渦和運動參數的相關性，研究發(fā)現細致調節(jié)撲翼的運動規(guī)律可以保持前緣渦穩(wěn)定，從而延遲失速，展向流動為穩(wěn)定前緣渦做出了相當的貢獻。

圖3 前緣渦增加升力的機理

(4) 尾跡捕捉

尾跡捕捉機制通常可以在翼渦交互作用中觀察到，當撲翼轉換撲動方向時，會遇到前次撲動產生的渦，導致翼面流動速度增加并產生額外的升力峰值。研究表明，尾跡捕捉的效果和渦量的分布與大小的時間變化規(guī)律有關[18]。Wang[19]和Shyy等[20]利用二維翼型的數值模擬分析了尾跡捕捉的升力增強原理，如圖4所示。

(5) 被動俯仰

撲動反向時，受到慣性力的作用，撲翼會扭轉變形產生一個類似被動俯仰的運動。該俯仰現象與撲動運動的相位對比可以分為延遲、同步和提前這3種模式。研究發(fā)現撲動頻率和結構固有頻率決定了被動俯仰的模式。當撲動頻率小于固有頻率時，撲翼為提前俯仰模式。這種情況下，2個撲動周期間的尾跡交互作用可對升力起到增強作用[21]。在二維翼型的流動結構中可以觀察到，發(fā)生被動俯仰的柔性翼表面的前緣渦比剛性翼保持得更久[22],如圖5所示。

(6) 翼尖渦

對于有限翼展的固定翼來說，翼尖渦會造成升力損失和阻力增加[23]。然而非定常流動中，翼尖渦在翼尖附件產生一個低壓區(qū)，和前緣渦產生一定交互作用，不斷脫落構成各種結構的渦系。在撲翼懸停飛行中，以特定的方式撲動，則可以使翼尖渦產生好的影響，如圖6所示的翼尖渦有效增強了升力。

圖4 尾跡捕捉機制

圖5 被動俯仰機制(左列為柔性翼，右列為剛性翼)

圖6 翼尖渦的增升作用

3 撲翼飛行空氣動力學實驗研究

對生物飛行空氣動力學的研究有助于人們深入理解撲翼飛行的氣動機理，這是成功研制高性能仿生撲翼飛行器的關鍵之一。早在1984年，Ellington[24]就詳細解釋和證明了準定常空氣動力學不能完全解釋昆蟲的飛行機理，并通過記錄多個物種的形態(tài)學和運動學數據，證明了昆蟲飛行過程中存在非定常高升力機制。

對昆蟲飛行空氣動力學機理的實驗研究是撲翼非定常空氣動力學研究的開始。

1997年，Willmott等[25]利用帶有點燃的煙苗的立體攝影技術，通過4個高倍的頻閃觀測儀來捕捉天蛾翅膀的非定常空氣流動。從拍到的照片能夠觀察到天蛾飛行過程中產生的渦，從而解釋天蛾飛行的非定常空氣動力效應。同年，Van den Berg和Ellington[26]為了研究天蛾飛行時產生的尾渦結構，利用一個帶有撲動機構的天蛾模型模擬了其懸停運動。隨后他們又對天蛾飛行過程中產生的三維前緣渦進行研究，發(fā)現前緣渦的形成和發(fā)展是天蛾產生高升力的主要原因[27]。1999年，Ellington[28]總結了之前的研究工作，進一步探討了非定常流動機理在微型撲翼飛行器中的應用。同年，Dickinson等[13]研究了昆蟲飛行中翅膀旋轉運動與非定常氣動力產生之間的關系。2001年，Birch等[29]通過實驗研究發(fā)現了昆蟲飛行中的另外一個流動特性：展向流動和前緣渦的再附著。他們通過可靠的實驗結果否定了之前的關于昆蟲飛行中產生的前緣渦再附著現象與三角翼飛機中的流動機制類似的假設。這是昆蟲空氣動力學領域一個很重要的發(fā)現。2004年，Dickson等[30]通過對昆蟲懸停過程采用準定常假設，研究了前進比對昆蟲氣動特性的影響。2005年，Fry等[31]制作出了模擬昆蟲運動的撲翼飛行器，并且成功估算出了其飛行時的空氣動力載荷。

在對昆蟲非定常空氣動力學進行理論研究的同時，人們也利用日益成熟的風洞實驗技術對昆蟲飛行時的流動細節(jié)進行測量，從而進一步加深了對昆蟲飛行機理的理解。2005年，Lehmann等[32]使用數字粒子圖像測速技術(DPIV)研究了昆蟲做翻轉運動時產生的高升力機理。Poelma等[33]將流場可視化工作進一步推廣到重建昆蟲運動的瞬時全場流動速度。他們利用現代的電機驅動、力測量以及流動可視化技術對低雷諾數昆蟲飛行空氣動力學進行了系統(tǒng)的研究。

由于對動物的飛行實驗研究需要活的動物標本，而且所需的實驗條件也很復雜，所以人們在之前對飛行動物空氣動力特性的研究基礎上，開始制作簡化的撲翼飛行器模型來測量其氣動特性。

2003年，Mueller等[34]總結了微型撲翼飛行器的一般空氣動力學特性，包括各種實際撲翼飛行器模型和實驗測量方法。Rozhdestvensky等[35]研究了微型撲翼飛行器運動的空氣動力推進機理。2004年，Heathcote等[36]研究了在無自由來流情況下的柔性翼型的俯仰/沉浮運動所產生的推力特性。2005年，Tarascio等[37]實現了模仿昆蟲懸停的撲動機構，并且用實驗測量出了其流場特性，但是最終只得到了定性的結果。2006年，Lu等[38]利用DPIV技術研究證實了撲翼前緣渦與升力產生間的關系。研究涵蓋了不同展弦比、迎角和低雷諾數范圍，研究數據為以后微型撲翼飛行器空氣動力學研究提供了重要參考。

國內對微型撲翼氣動特性的研究開展得比國外要晚，主要開始于2000年后。但通過最近幾年科研人員的努力工作，也取得了不凡的成果。

2003年，南京航空航天大學曾銳等[39]根據綠頭鴨飛行的錄像片斷，對其平飛時翅膀的撲動模型進行簡化，較詳細地分析了撲翼平均升力系數隨著撲動幅度、俯仰幅度以及撲動頻率等各種撲動參數的變化曲線，為微型撲翼機的設計提供了一定的參考依據。

2007年，西北工業(yè)大學邵立民等[40]利用西北工業(yè)大學微型飛行器專用風洞對微型撲翼飛行器機翼進行初步風洞試驗。2008年，王利光[41]對撲翼風洞試驗系統(tǒng)進行了改進，能夠對撲翼的氣動、動力、能源等系統(tǒng)進行實驗測量與分析。2014年，王利光等進一步改進撲翼風洞試驗系統(tǒng)，提高了測量精度，并實現了與DIC系統(tǒng)的融合與同步測量，開展了柔性撲翼變形與氣動特性對應關系的研究[42-44]。

4 撲翼飛行空氣動力學數值模擬研究

20世紀90年代以來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，數值模擬方法也在微型撲翼空氣動力學研究中發(fā)揮了越來越重要的作用。

1996年，Vest等[45]利用非定常氣動模型數值模擬了微型撲翼的推力特性；Smith等[46]利用面元法數值模擬了剛性撲翼產生的大尺度尾渦結構以及氣動力，并且證明了此方法優(yōu)于準定常方法。1998年，Liu等[47]通過求解基于時間推進的三維非定常Navier-Stokes方程，數值模擬了昆蟲的非定常流場結構，并且與實驗值進行比較，分析發(fā)現在昆蟲飛行的低雷諾數范圍內翼尖前緣渦對“高升力”的產生起非常重要的作用。2002年，Ramamurti等[48]利用基于有限元方法的求解器數值模擬了果蠅的三維非定常流動特性，計算結果與相關實驗值吻合良好。2004年，Wu等[49]通過數值求解三維非定常Navier-Stokes方程模擬了果蠅的非定常氣動力；Fritz等[50]利用非定常渦方法計算了有限翼展機翼做俯仰、沉浮運動時非定常氣動特性。

國內對微型撲翼的氣動特性數值模擬研究工作也取得了不小的進展。

2002年北京航空航天大學流體力學研究所的孫茂[51]利用N-S方程數值模擬方法，采用全層流假設，對昆蟲的飛行機理以及高升力產生機理進行了深入細致的研究。

2003年南京航空航天大學的曾銳、昂海松等提出了一種新的變速-折疊撲翼仿鳥撲動模型。通過非定常渦格法的計算研究表明，在一個周期內，新?lián)湟砟Ｐ偷钠骄ο禂递^原有的勻角速度剛性模型有顯著增加[39]。隨后，曾銳等又在原有撲翼剛性勻速運動模型基礎上，加入了撲動速率變化和形狀變化，使之更接近鳥翼真實飛行情況。通過計算發(fā)現，柔性變形對撲翼的升力和推力有著顯著的影響，如果柔性變形控制得當，可以大大改善撲翼的氣動特性[52]。2007年，昂海松等利用風洞實驗和模型飛行實驗的方法，探討了柔性撲翼微型飛行器產生升力和推力的流動機理，并研究了不同撲動頻率、迎角、速度下?lián)湟砩屯屏Φ淖兓闆r，為微型撲翼機的設計研制提供了參考依據[53]。

自2000年以來，西北工業(yè)大學針對微型撲翼飛行器的研究開展了許多工作。2003年，龔凱等利用求解Euler方程的方法建立了一套撲翼氣動特性的計算程序，在此基礎上研究了不同參數對撲翼的氣動特性的影響[54]。2006年，楊淑利等根據微型撲翼產生升力和推力的機理，利用改進的片條理論方法建立了一套撲翼氣動特性的工程估算軟件，并通過風洞實驗驗證了估算軟件的可靠性，在此基礎上研究了不同撲翼形狀下?lián)湟淼臍鈩犹匦訹55]。2007年，何飛等通過對XFOIL程序進行改造和擴充，完成了對振蕩來流下柔性翼型的氣動特性的研究，并通過求解N-S方程研究了三維柔性固定翼的氣動特性[56]。2008年，謝輝等[57]發(fā)展了一套基于廣義無限插值理論的撲翼運動網格自動生成程序，并且應用有限體積法結合雙時間推進技術數值求解了預處理后的三維非定常N-S方程組，實現微型撲翼在低速、低雷諾數下粘性繞流的數值模擬。2010年，楊文青等隨后發(fā)展了基于距離減縮法的嵌套網格技術，實現了對微型撲翼全機繞流特性的數值模擬[58-60]。2013年，陳利麗[61]在此基礎上，嵌入了適用性更強的k-ωSST湍流模型模塊和精度更高的高分辨率空間離散格式，提高了對撲翼繞流數值模擬的精度。

5 撲翼氣動結構耦合研究

昆蟲和鳥類的翅膀在飛行過程中常常會產生顯著的柔性變形，如圖7所示，這主要是通過翅膀的關節(jié)運動或肌肉收縮來控制的：昆蟲通過調節(jié)內部壓力從而改變翅膀剛度；蜂鳥通過控制羽毛的分布改變翅膀的平面形狀來獲得所需的升力；瓢蟲利用其柔軟并且可折疊的翅膀，在飛行時產生一定的“拱形”翅膀剖面來提高升力特性。

圖7 飛行生物翅膀柔性變形

對于人造微型撲翼飛行器來說，也可以考慮利用結構的柔性變形來提高氣動特性。國內外研究學者分別通過實驗和計算2種方法對微型撲翼飛行器氣動結構耦合特性進行了一些研究。

Heathcote等[62]通過實驗方法對做沉浮運動的柔性撲翼剛度對推力特性的影響進行了研究，結果表明，與剛性撲翼相比，柔性撲翼能夠產生更大的推力，并通過水洞實驗對半展弦比為3，做沉浮運動的NACA0012矩形機翼氣動特性進行測量，發(fā)現展向柔性變形能夠顯著提高撲翼的推力。

Frampton等[63]通過實驗方法研究了產生最佳推力特性的柔性撲翼展向彎曲變形與弦向扭轉變形之間的關系，發(fā)現柔性彎曲和扭轉變形的相位關系對于推力特性的產生是至關重要的，當扭轉變形滯后彎曲變形90°時，能夠產生最大的推力。

Singh等[64-65]利用自行開發(fā)的實驗裝置和仿生撲動機構來測量機翼結構的推力特性，結果表明，在其實驗狀態(tài)范圍內，慣性力對機翼結構變形起主導作用。由此說明，在相關氣動結構耦合研究中考慮慣性力的影響是非常必要的。

Wu等[66]發(fā)展了一種多學科耦合實驗方法，測量了6副不同結構(每副機翼均為板條-薄膜結構)的微型撲翼做單自由度撲動運動時的氣動彈性響應和氣動特性。通過數字圖像關聯(lián)系統(tǒng)測量結構變形，通過載荷傳感器記錄作用于撲翼上的氣動載荷，利用數字粒子圖像測速技術(DPIV)測量流場特性。他們的研究結果表明，不同的機翼結構之間的氣動彈性特性差異是很大的，通過適當的柔性結構變形，能夠獲得更好的氣動特性。

國內外研究者不僅在撲翼氣動彈性實驗方面進行了一些研究工作，而且在數值模擬方面也取得了一定的進展。

Hamamoto等[67]采用有限元方法數值模擬了蜻蜓懸停時的氣動結構耦合特性，對柔性結構的利弊進行了初步探討。

Zhu等[68]發(fā)展了一套基于三維邊界元法和二維非線性薄鋼板結構動力學模型方法的氣動結構耦合分析求解器，并將數值模擬結果與Heathcote[62]做沉浮運動的柔性撲翼實驗結果進行對比，驗證了算法的正確性。他還分析了慣性載荷在機翼柔性結構變形中所起的作用，并且探討了展向柔性變形和弦向柔性變形對氣動力的影響，結果表明，展向柔性結構變形能夠明顯提高撲翼的推力特性。

Liani等[69]發(fā)展了一套基于非定常面元法和二維結構動力學方程的氣動結構耦合求解器，研究了不同頻率下柔性撲翼的氣動彈性響應，通過對做沉浮運動的碳纖維平板矩形機翼在不同頻率下的氣動結構耦合特性進行數值計算，發(fā)現在計算考慮的所有頻率范圍內，柔性結構變形對撲翼氣動特性有顯著影響。

Kim等[70]提出了一種采用基于修正的片條理論模型作為氣動分析工具的氣動結構耦合研究方法。該模型能夠考慮大迎角和動態(tài)失速的影響。利用該方法對矩形直機翼的氣動結構耦合特性進行了數值模擬，其結果與實驗值吻合良好，從而驗證了算法的可靠性。

Unger等[71]發(fā)展了一套基于非定常雷諾平均N-S方程和非線性結構有限元方法的撲翼氣動結構耦合求解器，研究了固定展向剛度、僅保持弦向柔性特性的沉浮/俯仰運動撲翼的氣動結構耦合特性，發(fā)現柔性撲翼模型的上下表面層流分離泡從后緣有向前緣移動的趨勢。

西北工業(yè)大學針對微型撲翼氣動結構耦合特性開展了一些研究工作。楊文青等[72]發(fā)展了基于非定常雷諾平均N-S方程和靜態(tài)結構有限元方法的氣動結構耦合求解器，初步研究了考慮柔性變形的微型撲翼氣動特性。陳麗利等[73-74]進一步發(fā)展了基于結構動力學方法的撲翼CFD/CSD耦合求解程序，通過考慮慣性力的影響，更準確地模擬柔性撲翼的氣動結構特性。

6 結 論

本文綜述了仿生微型撲翼飛行器相關的空氣動力學研究進展，并重點分析了柔性撲翼飛行的氣動結構耦合特性研究。總的來說，盡管目前相關的研究手段及氣動機理等方面已經取得了相當顯著的進展，然而在進一步研究高性能的仿生微型撲翼飛行器，分析其同時產生升力和推力、可懸停、高機動飛行，同時又節(jié)約能量的種種優(yōu)越特性時，研究者需要開展撲翼流固耦合特性及相關的非定常空氣動力學等所必須的試驗、計算與理論分析，更進一步的研究具體體現在以下4個方面：

(1) 仿生微型撲翼飛行器小尺度與低速度帶來的低雷諾數空氣動力學問題，同時撲翼與柔性翼還帶來了非定常流動問題。微型飛行器所處的雷諾數為103～105量級，根據Mueller[75]的研究，屬于對轉捩與湍流非常敏感的區(qū)域，相關的氣動機理復雜。

(2) 微型柔性翼在飛行中密切相關的動氣動彈性問題。柔性變形可以顯著影響柔性翼的氣動特性，包括固定翼和撲翼，在飛行中產生特殊的氣動現象，如柔性固定翼的后緣振動及柔性撲翼的大幅度動態(tài)變形。當飛行器的尺度改變時，由于柔性結構特性使得尺度參數不能同時保證。所以為了開展精確的測試，很多研究都無法采用縮比模型研究，研究受到很多限制。因此建立準確的計算模型就顯得十分重要，且更適合用于優(yōu)化設計和增強魯棒性的研究。

(3) 高機動性的研究，及其帶來的動氣動彈性耦合飛行力學問題。包括起飛、不同速度前飛、突風響應、懸停、棲息、威脅躲避、位置跟蹤、載荷變化等情況，需同時考慮身體和翼的相對運動變化。可借鑒自然界生物的尺度和撲動模式的變化，需在運動規(guī)律與氣動特性的影響方面進行深入研究并加深理解。

(4) 撲翼飛行的動力學和穩(wěn)定性影響，對應的閉環(huán)主動控制，以達到所需的氣動性能，減少擾動對飛行的影響。撲翼飛行的復雜姿態(tài)及產生的氣動力對飛控系統(tǒng)的挑戰(zhàn)及反饋耦合算法的設計等。自適應控制技術對撲翼飛行性能有重要意義，該技術需要大量的數據，此時還需要建立合適的代理模型來估算柔性撲翼的氣動力。

這些層層深入的多學科耦合難題導致了目前具備的研究手段不能為仿生微型撲翼飛行器的研究提供定量的分析與改進設計。在解決上述難題的基礎上，未來可進一步在高機動靈活飛行姿態(tài)方面進行深入研究，對柔性翼的剛度分布開展詳細設計，使仿生飛行器具有像自然界飛行生物一樣的主動變形能力，可在復雜的環(huán)境下具備高機動飛行能力，最終實現高仿生外形和性能的人造飛鳥或人造飛蟲。

以上分析可以看出，目前的成果像是冰山一角般揭開了仿生撲翼飛行相關研究的序幕，未來需要科研工作者積極探索，開展更加深入的研究。

[1] Hundley R O, Gritton E C. Future technology-driven revolutions in military operations[R]. Documented Briefing of the RAND National Defense Research Institute. December, 1992.

[2] Steven A S. Palm-size spyplane[J]. Mechanical Engineering, 1998, 11(3): 74-78.

[3] Shyy W, Lian Y, Tang J, et al. Aerodynamics of low Reynolds number flyers[M]. New York: Cambridge University Press, 2008.

[4] Shyy W, Berg M, Ljungqvist D. Flapping and flexible wings for biological and micro air vehicles[J]. Progress in Aerospace Sciences, 1999, 35(5): 455-505.

[5] Shyy W, Aono H, Chimakurthi S K, et al. Recent progress in flapping wing aerodynamics and aeroelasticity[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2010, 46(8): 284-327.

[6] Triantafyllou M S, Triantafyllou G S, Yue D K P. Hydrodynamics of fishlike swimming[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2000, 32: 33-53.

[7] Christensen R M. Mechanics of composite materials[M]. Reprinted. New York: Dover Publications Inc, 2005.

[8] Weis-Fogh T. Quick estimates of flight fitness in hovering animals, including novel mechanism for lift production[J]. Journal of Experimental Biology, 1973, 59: 169-230.

[9] Lighthill M J. On the weis-fogh mechanism of lift generation[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1973, 60: 1-17.

[10] Lehmann F O, Sane S P, Dickinson M H. The aerodynamic effects of wing-wing interaction in flapping insect wings[J]. Journal of Experimental Biology, 2005, 208: 3075-3092.

[11] Sun M, Yu X. Flows around two airfoils performing fling and subsequent translation and translation and subsequent clap[J]. Acta Mechanica Sinica, 2003, 19(2): 103-117.

[12] Srygley R B, Thomas A L R. Unconventional lift-generating mechanisms in free-flying butter flies[J]. Nature, 2002, 420: 660-664.

[13] Dickinson M H, Lehmann F O, Sane S P. Wing rotation and the aerodynamic basis of insect flight[J]. Science, 1999, 284(5422): 1954-1960.

[14] Sane S P, Dickinson M H. The aerodynamic effects of wing rotation and a revised quasi-steady model of flapping flight[J]. Journal of Experimental Biology, 2002, 205: 1087-1096.

[15] Sun M, Tang J. Unsteady aerodynamic force generation by a model fruit fly wing in flapping motion[J]. Journal of Experimental Biology, 2002, 205: 55-70.

[16] Ellington C P, vanden Berg C, Willmott A P, et al. Leading-edge vortices in insect flight[J]. Nature, 1996, 384: 626-630.

[17] Rival D, Prangemeier T, Tropea C. The influence of airfoil kinematics on the formation of leading-edge vortices in bio-inspired flight[J]. Experiments in Fluids, 2009, 46: 823-833.

[18] Birch J M, Dickinson M H. The influence of wing-wake interactions on the production of aerodynamic forces in flapping flight[J]. Journal of Experimental Biology, 2003, 206: 2257-2272.

[19] Wang Z J. Dissecting insectflight[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2005, 37: 183-210.

[20] Shyy W, Trizila P, Kang C, et al. Can tip vortices enhance lift of a flapping wing?[J]. AIAA Journal, 2009, 47(2): 289-293.

[21] Ishihara D, Horie T, Denda M. A two-dimensional computational study on the fluid-structure interaction cause of wing pitch changes in dipteran flapping flight[J]. Journal of Experimental Biology, 2009, 212: 1-10.

[22] Vanella M, Fitzgerald T, Preidikman S, et al. Influence of flexibility on the aerodynamic performance of a hovering wing[J]. Journal of Experimental Biology, 2009, 212: 95-105.

[23] Anderson J D. Fundamentals of aerodynamics[M]. 4thEd. New York: McGraw Hill Higher Education, 2006.

[24] Ellington C P. The aerodynamics of hovering insect flight III[J]. Kinematics, Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences, 1984, 305(1122): 41-78.

[25] Willmott A P, Ellington C P, Thomas A L R. Flow visualization and unsteady aerodynamics in the flight of the hawkmoth, manduca sexta[J]. Biological Sciences, 1997, 352(1351): 303-316.

[26] Van den Berg C, Ellington C P. The vortex wake of a hovering model hawkmoth[J]. Biological Sciences, 1997, 352(1351): 317-328.

[27] Van Den Berg C, Ellington C P. The three-dimensional leading-edge vortex of a ‘hovering’model hawkmoth[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences, 1997, 352(1351): 329-340.

[28] Ellington C P. The novel aerodynamics of insect flight: applications to micro-air vehicles[J]. Journal of Experimental Biology, 1999, 202(23): 3439-3448.

[29] Birch J M, Dickinson M H. Spanwise flow and the attachment of the leading-edge vortex on insect wings[J]. Nature, 2001, 412(6848): 729-733.

[30] Dickson W B, Dickinson M H. The effect of advance ratio on the aerodynamics of revolving wings[J]. Journal of Experimental Biology, 2004, 207(24): 4269-4281.

[31] Fry S N, Sayaman R, Dickinson M H. The aerodynamics of hovering flight in Drosophila[J]. Journal of Experimental Biology, 2005, 208(12): 2303-2318.

[32] Lehmann F O, Sane S P, Dickinson M. The aerodynamic effects of wing-wing interaction in flapping insectwings[J]. Journal of Experimental Biology, 2005, 208(16): 3075-3092.

[33] Poelma C, Dickson W B, Dickinson M H. Time-resolved reconstruction of the full velocity field around a dynamically-scaled flapping wing[J]. Experiments in Fluids, 2006, 41(2): 213-225.

[34] Mueller T J, DeLaurier J D. Aerodynamics of small vehicles[J]. Annual Review of Fluid Mechanics, 2003, 35(1): 89-111.

[35] Rozhdestvensky K V, Ryzhov V A. Aerohydrodynamics of flapping-wing propulsors[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2003, 39(8): 585-633.

[36] Heathcote S, Martin D, Gursul I. Flexible flapping airfoil propulsion at zero freestream velocity[J]. AIAA Journal, 2004, 42(11): 2196-2204.

[37] Tarascio M J, Ramasamy M, Chopra I, et al. Flow visualization of micro air vehicle scaled insect-based flapping wings[J]. Journal of Aircraft, 2005, 42(2): 385-390.

[38] Lu Y, Shen G X, Lai G J. Dual leading-edge vortices on flapping wings[J]. Journal of Experimental Biology, 2006, 209(24): 5005-5016.

[39] 曾銳, 昂海松. 仿鳥復合振動的撲翼氣動分析[J]. 南京航空航天大學學報, 2003, 35(1): 6-12.

Zeng Rui, Ang Haisong. Aerodynamic computation of flapping-wing simulating bird wings[J]. Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, 2003, 35(1): 6-12.

[40] 邵立民, 宋筆鋒, 熊超, 等. 微型撲翼飛行器風洞試驗初步研究[J]. 航空學報, 2007, 28(2): 275-280.

Shao Limin, Song Bifeng, Xiong Chao, et al. Experimental investigation of flapping-wing MAV in wind tunnel[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2007, 28(2): 275-280.

[41] 王利光. 微型撲翼飛行器動力系統(tǒng)設計與優(yōu)化[D]. 西安: 西北工業(yè)大學, 2008.

Wang Liguang. Design and optimization for the propulsion system of the flapping-wing micro airvehicle[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2008.

[42] Wang L, Song B, Yang W, et al. Experimental characterization of a flexible membrane flapping-wing in forward flight[C]. ICAS2014. St. Petersburg. Russia, Sep 7-12, 2014.

[43] Yang W, Song B, Song W, et al. Aerodynamic research of flexible flapping wing by combining DIC and CFD approaches[C]. ICAS2014. St. Petersburg. Russia, Sep 7-12, 2014.

[44] Fu P, Song B, Wang L. An experimental study on the influence of passive deformation to lift and thrust generation in flexible flapping wing[C]. ICAS2014. St. Petersburg. Russia, Sep 7-12, 2014.

[45] Vest M S, Katz J. Unsteady aerodynamic model of flapping wings[J]. AIAA Journal, 1996, 34(7): 1435-1440.

[46] Smith M, Wilkin P, Williams M. The advantages of an unsteady panel method in modelling the aerodynamic forces on rigid flapping wings[J]. Journal of Experimental Biology, 1996, 199(5): 1073-1083.

[47] Liu H, Kawachi K. A numerical study of insect flight[J]. Journal of Computational Physics, 1998, 146(1): 124-156.

[48] Ramamurti R, Sandberg W C. A three-dimensional computational study of the aerodynamic mechanisms of insect flight[J]. Journal of Experimental Biology, 2002, 205(10): 1507-1518.

[49] Wu J H, Sun M. Unsteady aerodynamic forces of a flapping wing[J]. Journal of Experimental Biology, 2004, 207(7): 1137-1150.

[50] Fritz T E, Long L N. Object-oriented unsteady vortex lattice method for flapping flight[J]. Journal of Aircraft, 2004, 41(6): 1275-1290.

[51] 孫茂. 昆蟲飛行的高升力機理[J]. 力學進展, 2002, 32(3): 425-434.

Sun Mao. Unsteady lift mechanisms in insect flight[J]. Advances in Mechanics, 2002, 32(3): 425-434.

[52] 曾銳, 昂海松, 梅源, 等. 撲翼柔性及其對氣動特性的影響[J]. 計算力學學報, 2005, 22(6): 750-754.

Zeng Rui, Ang Haisong, Mei Yuan, et al. Flexibility of flapping wing and its effect on aerodynamic characteristic[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2005, 22(6): 750-754.

[53] 昂海松, 曾銳, 段文博, 等. 柔性撲翼微型飛行器升力和推力機理的風洞實驗和飛行實驗[J]. 航空動力學報, 2007, 22(11): 1838-1845.

Ang Haisong, Zeng Rui, Duan Wenbo, et al. Aerodynamic experimental investigation for mechanism of lift and thrust of flexible flapping-wing MAV[J]. Journal of Aerospace Power, 2007, 22(11): 1838-1845.

[54] 龔凱. 有限翼展撲動翼的歐拉方程數值模擬[D]. 西安: 西北工業(yè)大學, 2003.

Gong Kai. Numerical simulation of finite-span flapping wing by euler equations[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2003.

[55] 楊淑利, 宋文萍, 宋筆鋒, 等. 微型撲翼飛行器機翼氣動特性研究[J]. 西北工業(yè)大學學報, 2006, 24(6): 768-773.

Yang Shuli, Song Wenping, Song Bifeng, et al. Achieving reliability and validity of predicted aerodynamic performance of flapping wings for micro air vehicle (MAV)[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2006, 24(6): 768-773.

[56] 何飛. 微型飛行器柔性翼氣動及抗風特性研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學, 2007.

He Fei. Aerodynamics and anti-gust research of flexible-wing MAV[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2007.

[57] 謝輝, 宋文萍, 宋筆鋒. 微型撲翼繞流的N-S方程數值模擬[J]. 西北工業(yè)大學學報, 2008, 26(1): 104-109.

Xie Hui, Song Wenping, Song Bifeng. Numerical solution of Navier-Stokes equations for flow over a flapping wing[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2008, 26(1): 104-109.

[58] 楊文青, 宋筆鋒, 宋文萍. 翼型對微型撲翼氣動特性影響研究[J]. 計算力學學報, 2011, 28(2): 214-220.

Yang Wenqing, Song Bifeng, Song Wenping. The effect of airfoil to aerodynamic characteristics of flapping wing by numerical simulation on Navier-Stokes equations[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2011, 28(2): 214-220.

[59] 楊文青, 宋筆鋒, 宋文萍, 等. 微型撲翼低雷諾數繞流氣動特性研究[J]. 空氣動力學學報, 2011, 29(1): 32-38.

Yang Wenqing, Song Bifeng, Song Wenping, et al. Aerodynamic performance research of micro flapping-wing in low Reynolds number flow[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2011, 29(1): 32-38.

[60] 楊文青, 宋筆鋒, 宋文萍. 高效確定重疊網格對應關系的距離減縮法及其應用[J]. 航空學報, 2009, 30(2): 205-212.

Yang Wenqing, Song Bifeng, Song Wenping. Distance decreasing method for confirming corresponding cells of overset grids and its application[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2009, 30(2): 205-212.

[61] 陳利麗. 微型撲翼氣動結構耦合計算及優(yōu)化設計研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學, 2013.

Chen Lili. Aeroelastic analysis and optimization of flapping-wing micro air vehicle by numerical simulation[D]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University, 2013

[62] Heathcote S, Wang Z, Gursul I. Effect of spanwise flexibility on flapping wing propulsion[J]. Journal of Fluids and Structures, 2008, 24(2): 183-199.

[63] Frampton K D, Goldfarb M, Monopoli D, et al. Passive aeroelastic tailoring for optimal flapping wings[J]. Progress in Astronautics and Aeronautics, 2001, 195: 473-482.

[64] Singh B, Chopra I. Insect-based flapping wings for micro hovering air vehicles: experimental investigations[C]. American Helicopter Society International Specialists Meeting on Unmanned Rotorcraft, Arizona, 2004.

[65] Singh B, Chopra I. Dynamics of insect-based flapping wings: Loads validation[R]. AIAA-2006-1663.

[66] Wu P, Ifju P, Stanford B, et al. A multidisciplinary experimental study of flapping wing aeroelasticity in thrust production[C]. AIAA Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 2009: 4-7.

[67] Hamamoto M. Application of fluid-structure interaction inalysis to flapping flight of insects with deformable wings[J]. Advanced Robotics, 2007, 21(1-2): 1-21.

[68] Zhu Q. Numerical simulation of a flapping foil with chordwise or spanwise flexibility[J]. AIAA Journal, 2007, 45(10): 2448-2457.

[69] Liani E. Aeroelastic effect on flapping wing performance[R]. AIAA-2007-2412.

[70] Kim D K, Lee J S, Lee J Y, et al. Anaeroelastic analysis of a flexible flapping wing using modified strip theory[C]. International Society for Optical Engineering (SPIE), 2008.

[71] Unger R, Haupt M C, Horst P, et al. Structural design and aeroelastic analysis of an oscillating airfoil for flapping wing propulsion[R]. AIAA-2008-306.

[72] Yang W, Song B, Song W. Fluid-structure coupling research for micro flapping-wing[C]. ICAS2010. Nice, France. Sep, 19-24, 2010.

[73] 陳利麗, 宋筆鋒, 宋文萍, 等. 基于結構動力學的平板撲翼氣動彈性方法研究[J]. 空氣動力學學報, 2013, 31(2): 175-180.

Chen Lili, Song Bifeng, Song Wenping, et al. Dynamic fluid-structure coupling research for micro flapping wing[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2013, 31(2): 175-180.

[74] 陳利麗, 宋筆鋒, 宋文萍, 等. 一種基于結構動力學的柔性撲翼氣動結構耦合方法研究[J]. 航空學報, 2013, 34(12): 2668-2681.

Chen Lili, Song Bifeng, Song Wenping, et al. Research on aerodynamic-structural coupling of flexible flapping wing[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013, 34(12): 2668-2681.

[75] Mueller T J. Aerodynamic measurements at low Reynolds numbers for fixed wing micro-air vehicles[C]//Development and Operation of UAVs for Military and Civil Applications. VKI, Belgium, September 13-17, 1999.

(編輯：張巧蕓)

The progress and challenges of aerodynamics in the bionic flapping-wing micro air vehicle

Yang Wenqing1,*, Song Bifeng1, Song Wenping1, Chen Lili2

(1. School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China； 2. The First Institute of Aircraft Design, AVIC, Xi’an 710089, China)

The bionic micro air vehicle (MAV) has important applications in military and civilian usage. In recent years, researchers over the world have revealed several unique flight mechanisms, and developed several kinds of bionic micro air vehicles capable of certain flight abilities. In this paper, the aerodynamics progress in the bionic MAV is reviewed; also, the opportunity and challenges faced in the future are analyzed. At present, compared with the natural flyers, manmade bionic MAV is still clumsy and in a lower level, and thus has a large room for improvement. Many problems need to be tackled. The aerodynamics of low Reynolds number flow in unsteady state is one of the main problems. Since the flow is complex in this regime, the numerical simulation and the wind tunnel experiment can hardly model the situation of true flight. There are four concrete problems: (1) the Reynolds number of bionic MAV flows is around 103～105. In this regime, the transition and turbulence are easy to turn up, which makes the flow mechanism complex; (2) the dynamic aero-elastic problem of flexible wing MAV in flight. In this situation, the scaling law is hard when the size is different for the structure and flow has different reference value. It is an essential problem to establish an accurate simulating model; (3) the coupling problem of aero-elasticity and flight dynamics in high maneuverable flight;

(4) the influence of flight attitude of flapping wing on the flight control system increases the complexity of feedback coupling control algorithm. These multi-disciplinary coupling problems make it a challenge to provide high accurate analysis for and improve the design of the bionic MAV. In the future, by solving the above problems, the bionic MAV should have high maneuver ability and can morph actively, like the natural flyers.

Bionic micro air vehicle;low Reynolds number;unsteady aerodynamics;fluid-structure coupling;multi-disciplinary design

1672-9897(2015)03-0001-10

10.11729/syltlx2015ty01

2015-02-27;

2015-03-24

國家自然科學基金項目(11402208)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目(310201401JCQ01002)

YangWQ,SongBF,SongWP,etal.Theprogressandchallengesofaerodynamicsinthebionicflapping-wingmicroairvehicle.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(3): 1-10. 楊文青, 宋筆鋒, 宋文萍, 等. 仿生微型撲翼飛行器中的空氣動力學問題研究進展與挑戰(zhàn). 實驗流體力學, 2015, 29(3): 1-10.

V211.3

A

楊文青(1980-)，山西陽泉人，博士，副教授。研究方向：微型飛行器、非定常氣動特性。通信地址：陜西省西安市友誼西路127號120信箱(710072)。E-mail:yangwenqing@nwpu.edu.cn

*通信作者 E-mail: yangwenqing@nwpu.edu.cn