仿生飛行 國際爭先

薛棟

20世紀中葉，仿生學作為一門新興的學科出現在飛行器設計領域，它將自然生物與科學技術連接到一起。在飛行器的設計過程中，大自然為人們提供了現成的學習材料：在形態方面，簡約、優美的生物造型為飛行器設計提供了設計參考；在功能方面，多樣、復雜的生物結構體提供了技術上的解決方案。

飛行器的仿生學研究成了航空領域的聚焦點，微型仿生飛行器的設計和制造水平在一定程度上代表著一個國家微機電的工業水平。相比于國外微型仿生飛行器的研制水平，國內在仿生材料、微機電、控制算法等方面還有較大差距，需要盡快縮短。

我所在的西北工業大學航空學院微小型飛行器課題組，從2000年就開始在仿生微型飛行器方面開展研究工作，在仿生空氣動力學的理論和實驗方面，以及仿生微型飛行器的全系統樣機研制等方面取得了重要突破，并達到國際先進水平。

我曾參加過一個名為“仿生微型飛行器撲動翼上的優化”的科研項目。撲動翼是仿生飛行器動力的全部來源，它既要為飛行器提供克服重力的升力，還需提供飛行器向前飛行的推力，可以說它就是仿生飛行器的發動機。然而，撲動翼的設計一向是國際性難題，因為撲動翼的優化設計涉及到眾多學科的耦合，包括空氣動力學、非線性結構動力學、飛行動力學等。每一個問題都是各自學科領域的難題，將三者耦合起來，難度更是指數級上升。

當導師安排給我這個任務時，我心里既興奮又忐忑。這是一次極好的鍛煉機會，但課題的難度又讓我在心里打起了嘀咕。下定決心要啃下這塊硬骨頭后，我先通過查詢大量國內外文獻，調研了數十個科研機構，將當前的研究情況進行了全面的了解。由于調研內容充分，還協助老師申請到了課題組第一個國家自然科學基金的面上項目（國家自然科學基金研究項目系列中的主要部分）和資助經費。得到這樣的結果，我更有信心了。

隨后，我們攻關小組陸續開展了建模和編程工作，這一過程就像西西弗斯推石上山的故事，每天面臨的都是永無止境的失敗和挫折。每當我認為自己已經調試成功時，每次結果都告訴我這個答案并不是最好的。幾乎每周，我都經歷著“假想成功”的喜悅和測試失敗的循環打擊。還好我堅持了下來。通過數個月巨量的優化計算，我們終于將耦合上述三大問題的模型調試成功，并設計和制作出十余種撲動翼。

為了保證科研成果準確無誤，無論寒暑，我們都堅持外場測試。夏天，西安野外的氣溫高達四十多度，為了保證仿生飛行器在飛行過程中不出意外，我們必須全程站在烈日下緊盯飛機，因為任何有陰涼的地方都可能遮擋視線。測試時，我的眼睛更是不敢多眨一下，生怕飛機在那一瞬間有意外發生，畢竟每一架飛機都是我們數個月的汗水結晶。

經過數月的外場測試和迭代改進，2017年底，我們攻關小組終于在理論和飛行試驗方面取得了重要進展，將飛行器原有性能提高了13個百分點。

這只是我們科研工作中的一個片段，雖然很苦，但我心里的成就感卻隨著時間的推移變得越來越大。仿生學是未來飛行器設計的趨勢，它既可以解決實際問題，又可以減少對環境的負重。對飛行器的外形、材料、結構等方面的仿生研究，都會使設計走向一條可持續發展的道路。通過不斷努力，實現仿生飛行器設計水平和制造水平的彎道超車，是我們義不容辭的責任和使命。

黨的十九大報告中指出，“創新是引領發展的第一動力，是建設現代化經濟體系的戰略支撐。要瞄準世界科技前沿，強化基礎研究，實現前瞻性基礎研究、引領性原創成果重大突破。”