飛行器翼型的仿生設(shè)計(jì)進(jìn)展研究

羅 昕 史 進(jìn)

（1.浙江大學(xué)，浙江杭州 310030；2.上實(shí)劍橋教育集團(tuán)，上海 200120）

0 引言

翼型是飛行器的基本組成單元，也是飛行器的核心。翼型是指飛行器的機(jī)翼、導(dǎo)彈翼面、尾翼、直升機(jī)旋翼葉片和螺旋槳葉片上平行于飛行器對(duì)稱面或垂直于前緣的切面形狀。在飛行器不同情況的飛行狀態(tài)下，機(jī)翼是飛行器承受升力的主要部件，機(jī)翼上下表面氣流的速度不同從而導(dǎo)致壓力不同，形成飛行器的升力?，F(xiàn)代翼型往往會(huì)采取仿生設(shè)計(jì)，這是因?yàn)椴煌B類的翼型是在不同飛行條件下演化出來(lái)的最優(yōu)翼型，所以模仿和借鑒特定的鳥類翼型飛行模式和特征結(jié)構(gòu)對(duì)于飛行器的翼型設(shè)計(jì)具有重要意義。

研究者通過提取動(dòng)物身體部位的特征對(duì)于翼型進(jìn)行仿生，給翼型帶來(lái)不同程度的增幅。對(duì)鳥類生物翼型的橫截面進(jìn)行對(duì)比，提取有助于改善飛行性能的翼型特征，從而使得飛行器具有更好的升力特性或者更加平緩的失速特性。例如，Liu[1]等使用了3D 點(diǎn)云掃描的技術(shù)掃描海鷗、秋沙鴨、水鴨和長(zhǎng)耳鸮的翼型，使用逆向重構(gòu)的方法得到不同截面的翅膀形狀，從而獲得仿生翼型。長(zhǎng)耳鸮、海鷗、水鴨和雀鷹翅膀的40%截面位置處的翼型氣動(dòng)性能表現(xiàn)優(yōu)異。所以，吳立明[2]等提取這4 種鳥類翅膀40%截面位置處的翼型型線進(jìn)行重構(gòu)，獲得仿生翼型。仿海鷗翼型的動(dòng)態(tài)升力系數(shù)所形成的遲滯環(huán)最小、穩(wěn)定性最好。同時(shí)仿海鷗翼型的動(dòng)態(tài)升力系數(shù)峰值(Clmax=1.94) 較高和阻力系數(shù)峰值(Cdmax=0.25)較低，這種翼型適用于高效、穩(wěn)定的飛行器設(shè)計(jì)。李典[3]基于仿生逆向重構(gòu)方法對(duì)于擁有靜音飛行特性的長(zhǎng)耳鸮翅膀進(jìn)行了擬合實(shí)驗(yàn)，最終得到了仿長(zhǎng)耳鸮翅膀的三維葉片模型。其團(tuán)隊(duì)采用大渦模擬方法對(duì)仿鸮翼型葉片流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了2種不同的雷諾數(shù)(Re=16000 和Re=70000)和攻角不同時(shí)的鸮翼仿生葉片的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。華欣[4]在海鷗翅翼距翼根的20%、30%、40%、50%和 60%位置處分別截取海鷗翅翼的剖面，使用最小二乘法建立了翼型的曲線方程。其團(tuán)隊(duì)分析了翼型的氣動(dòng)性能，與標(biāo)準(zhǔn)NACA4412 做比較，離翼根 50%的翼型擁有最優(yōu)越的氣動(dòng)性能，升力提高了35.4%。因?yàn)樽^鯨前緣突起的肢狀胸鰭在回轉(zhuǎn)時(shí)提供了強(qiáng)大的動(dòng)力，王國(guó)付[5]模仿座頭鯨胸鰭特征針對(duì)NACA634－021 翼型作為基形，在0°～90°的攻角，采用H分量測(cè)為天平和粒子圖像測(cè)速儀在直流風(fēng)洞里分別測(cè)量升力、阻力、俯仰力矩等翼型氣動(dòng)特性和流速、渴量、邊界層等流場(chǎng)特性，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與光滑翼段相比，凹凸前緣翼段的失速特性更為平緩。

通過以上研究可以得知，模擬自然界生物的翼型或部位特征，可以使其失速特性更加平緩。例如，王國(guó)付模仿座頭鯨胸鰭，做出凹凸前緣，使得失速特性更加平緩。根據(jù)上述研究，可以看出仿生翼有利于飛行器性能的提升，對(duì)于翼型設(shè)計(jì)具有重大意義。本文基于仿生翼型，論述仿生翼型的起源繼而衍生至仿生翼的應(yīng)用機(jī)遇、技術(shù)手段、仿生翼的運(yùn)用和優(yōu)點(diǎn)、不同生物仿生翼型的特征，整理分析前人的經(jīng)驗(yàn)，并寫出未來(lái)展望和探索的思路。

1 仿生翼型的起源

早在1500 年文藝復(fù)興時(shí)期，達(dá)· 芬奇撰寫了一份手稿，繪制了形似鳥類飛行的撲翼飛行器。1799 年 Cayley[6]提出了固定翼飛行器的概念，他制作了第一架可以使用的模型滑翔機(jī)。在1804 年，這架模型擁有固定機(jī)翼與可用于調(diào)整的水平和垂直尾翼。Cayley 在對(duì)飛行器不斷探索的過程中，得出了機(jī)翼升力是由于上表面的低壓和下表面的高壓產(chǎn)生的壓力差而形成的，所以相對(duì)于平板飛行翼來(lái)說，在飛行方向上傾斜一定角度會(huì)產(chǎn)生一定的升力，而彎曲的表面使得最終的效果會(huì)更好。他發(fā)現(xiàn)飛行器的設(shè)計(jì)可以改用不同裝置去實(shí)現(xiàn)升力和推力，相較于單純模仿鳥類的飛行動(dòng)作而言，這會(huì)使得飛行容易得多。這一重要發(fā)現(xiàn)奠定了固定機(jī)翼形式飛機(jī)的基本構(gòu)思和理論基礎(chǔ)。達(dá)·芬奇設(shè)計(jì)的手稿如圖1 所示。

圖1 喬治凱利設(shè)計(jì)的滑翔機(jī)草圖[7]

H.F. Phillips 在1884 年通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)出具有一定厚度和彎度的翼型，圖2 是韓忠華[9]等總結(jié)出來(lái)的，前6 個(gè)為1884 年發(fā)明，第7 個(gè)為1891 年被H.F. Phillips 發(fā)明。之后，萊特兄弟自建風(fēng)洞，測(cè)試了200 多種不同的翼型，奠定了人類歷史上第一次成功飛行的基礎(chǔ)，但是他們的翼型設(shè)計(jì)思想還局限于大彎度薄翼型。

圖2 H.F. Phillips設(shè)計(jì)的翼型[8]（NO.1～NO.6在1884年發(fā)明，NO.7在1891年設(shè)計(jì)）

2 仿生翼的研究

仿生學(xué)主要探究的是生物自身的優(yōu)異性能產(chǎn)生的機(jī)理，再抽象成數(shù)學(xué)模型，最后運(yùn)用到實(shí)際項(xiàng)目中。飛行器在飛行過程中會(huì)經(jīng)歷各種不同的極端環(huán)境，而鳥類翼型在應(yīng)對(duì)相似環(huán)境時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。這些生物在長(zhǎng)期的進(jìn)化中，對(duì)于不同環(huán)境具有一定的適應(yīng)性。有些鳥類可以運(yùn)用空氣氣流進(jìn)行高效飛行，例如，信天翁貼著海面飛行可以長(zhǎng)時(shí)間不展翅，從而節(jié)省自身體力。正是這些行為為仿生翼型的高效低能耗帶來(lái)了思考。海鷗滑翔時(shí)飛行速度僅19km/h，是滑翔速度最慢的鳥類，它可以巧妙地利用氣流慢慢滑翔，只要有一點(diǎn)上升氣流，就足以托住它，這是海鷗所具備的本領(lǐng)。吳立明[10]對(duì)仿海鷗翼型的動(dòng)態(tài)失速特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在Re=2.0×10～5 工況下，仿海鷗翼型的平穩(wěn)性最好。

研究者對(duì)鳥類翼型仿生的目的是提取其高效和低能耗的特點(diǎn)。大多研究者通過拍攝自然死亡鳥類翅膀照片或用高速攝像頭拍攝正在運(yùn)動(dòng)的鳥類翅膀進(jìn)行比對(duì)分析，提取鳥類翼型特征，比對(duì)不同鳥類翼型的數(shù)據(jù)。有些生物具有良好的氣動(dòng)性能，所以可以被用于仿生。例如，王星[11]以長(zhǎng)耳鸮翼型為仿生基礎(chǔ)，使用逆向工程的方法去提取鸮翼翼型下表面可以被使用的特征點(diǎn)，運(yùn)用B 樣條曲線完成擬合，建立鸮翼仿生重構(gòu)模型。然后使用了一種名為數(shù)值求解耦Langtry-Menter SST 模型的雷諾時(shí)均 Navier-Stokes 方程，研究了前緣厚度、前端傾角、前緣弧線曲率、翼型中部下表面曲率和尾部厚度等參數(shù)，從而得知這些因素對(duì)于翼型升阻比的影響，得到一種可以控制大攻角下流動(dòng)分離發(fā)生的仿生翼型。除了鳥類，研究者發(fā)現(xiàn)，魚類的生理結(jié)構(gòu)被用于仿生翼同樣具有高效的特點(diǎn)。例如，余超[12]以鱘魚為研究對(duì)象,使用高精度的三維逆向掃描技術(shù)提取鱘魚的特征,以鱘魚的外形曲線為基礎(chǔ)設(shè)立無(wú)量綱化的點(diǎn)坐標(biāo)系,采取最小二乘法將多次掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合實(shí)驗(yàn),構(gòu)建了一種基于鱘魚的仿生翼型。采用數(shù)值模擬的方式對(duì)鱘魚仿生翼型的壓力分布、翼尖渦流、升阻特性進(jìn)行了分析。最終借助大渦模擬(LES)對(duì)翼型的前緣骨線做了一些優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，借助高速攝像技術(shù)對(duì)優(yōu)化后的仿生翼型在不同攻角下的空化特性及單個(gè)周期內(nèi)的空化發(fā)展過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究者發(fā)現(xiàn)座頭鯨的非光滑表面可以在流動(dòng)運(yùn)動(dòng)的過程中減小阻力。例如，張照煌[13]發(fā)現(xiàn)座頭鯨胸鰭的凸凹前緣可以改變胸鰭上流體的流動(dòng)狀態(tài)，從而減小阻力，展現(xiàn)這一優(yōu)秀的力學(xué)特性。因此，對(duì)于座頭鯨胸鰭的仿生在流動(dòng)控制方面有著極大的研究?jī)r(jià)值。

3 仿生翼的運(yùn)用

仿生翼型可以被用于多領(lǐng)域的飛行器上，例如仿生撲翼飛行機(jī)器人[14]。老式的固定翼和旋翼機(jī)器人的飛行模式對(duì)于適應(yīng)環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，所以我們采用撲翼飛行器，這是一種飛行姿態(tài)模仿鳥類和昆蟲的飛行器，基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)的撲翼飛行器。撲翼飛行器擁有更大的機(jī)動(dòng)靈活性，可以根據(jù)環(huán)境變化適當(dāng)調(diào)整，飛行費(fèi)用比較低廉，是執(zhí)行任務(wù)的良好選擇。仿生撲翼飛行器尺寸較小、隱蔽性好，在軍事和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。對(duì)于軍用，它可以在一段時(shí)間內(nèi)無(wú)能源補(bǔ)充執(zhí)行遠(yuǎn)距離飛行任務(wù)、探測(cè)生化區(qū)、在災(zāi)區(qū)進(jìn)行生還人員的搜尋工作。一種新型的飛行器正在慢慢地嶄露頭角，微撲翼飛行器[15]是一種飛行姿態(tài)神似鳥類或昆蟲飛行的飛行器，在技術(shù)層面上它超越了傳統(tǒng)的飛機(jī)設(shè)計(jì)和氣動(dòng)力的研究范疇。它還同時(shí)開創(chuàng)了微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)用于航空領(lǐng)域的先例，它是一種設(shè)計(jì)和制造具有良好動(dòng)力學(xué)特性的高效仿生飛行器，具有體積小、重量輕、成本低、隱身性和易操作等特點(diǎn)，擁有很強(qiáng)的功能性。例如，它可以用于低空偵察、目標(biāo)查找、通信中繼、幫助公安部門緝毒、邊境巡邏等。

雖然微撲翼飛行器的功能強(qiáng)大，但是在對(duì)它的設(shè)計(jì)研究中牽扯到許多技術(shù)問題。如，對(duì)于撲翼飛行的非定常空氣動(dòng)力機(jī)理研究，研究飛行器如何利用非定常流和漩渦去達(dá)到高升力和大推力。研究者建立氣動(dòng)力計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，探究出在低雷諾數(shù)非定常氣動(dòng)數(shù)值的數(shù)值模擬方法，總結(jié)出氣動(dòng)力規(guī)律和設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié)語(yǔ)

梳理和總結(jié)仿生翼型的歷史和仿生技術(shù)的應(yīng)用情況，主要是模仿動(dòng)物的優(yōu)良特性以降低阻力提升升力，追求高效低能耗。但是目前的仿生利用單一的特性或雙特性對(duì)翼型進(jìn)行優(yōu)化，不具備根據(jù)環(huán)境的改變進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的能力。可以將翼型拆分成不同部分汲取不同的鳥類特征進(jìn)行仿生，從而去提升氣動(dòng)性能，降低能耗。但是通過什么方法把不同部分的零件承接起來(lái)以及多特性耦合仿生怎么實(shí)現(xiàn)，有待進(jìn)一步研究。