微型飛行器：像昆蟲(chóng)那樣飛

　　核心提示

　　鳥(niǎo)兒善飛，人所共知，但小小的飛行昆蟲(chóng)更是名副其實(shí)的“飛行家”。試想，微小的身體能夠迎風(fēng)飛行，那得需要自身產(chǎn)生多大的推力！不僅如此，懸停、倒飛、急轉(zhuǎn)，更是它們的絕活。當(dāng)科學(xué)家對(duì)它們進(jìn)行仿生研究后驚嘆：仿昆飛行將引發(fā)航空科學(xué)的巨大進(jìn)步。

　　懸停直升倒飛……昆蟲(chóng)飛行很有特點(diǎn)

　　遼寧日?qǐng)?bào)：人們一直以來(lái)把鳥(niǎo)兒看作是“飛”的象征，不斷地對(duì)鳥(niǎo)兒的生理結(jié)構(gòu)和飛行原理進(jìn)行研究，并借助現(xiàn)代科技手段成功研制成各種飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)了飛行的夢(mèng)想，但我們也注意到，除鳥(niǎo)兒以外許多飛行昆蟲(chóng)的飛行也很有特點(diǎn)，您是研究昆蟲(chóng)飛行原理的專家，首先想請(qǐng)教您的是，飛行昆蟲(chóng)，比如蜜蜂、蒼蠅、蜻蜓等與鳥(niǎo)兒的飛行比，有什么特點(diǎn)？

　　孫茂：這些昆蟲(chóng)身體微小，飛行速度較鳥(niǎo)兒要慢得多，但是如果我們細(xì)心觀察就會(huì)發(fā)現(xiàn)，它們有著鳥(niǎo)兒飛行所不具備的一些特點(diǎn)，如懸停、直升、加速猛沖以小于自身長(zhǎng)度的半徑轉(zhuǎn)彎等，某些蒼蠅能倒著起飛、倒著降落，也就是說(shuō)，從飛的形態(tài)和特點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，其機(jī)動(dòng)性和靈活性方面有著鳥(niǎo)兒無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：這是否就是我們要研究昆蟲(chóng)飛行的緣由？

　　孫茂：是的，不要小看了昆蟲(chóng)的慢速飛行以及懸停、直升，這里面蘊(yùn)含著與鳥(niǎo)兒不一樣的飛行機(jī)理，非常奇妙，比如，基于傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)理論的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，果蠅翅膀的最大升力系數(shù)只有約0.6，單就這個(gè)力的大小來(lái)說(shuō)，不夠平衡昆蟲(chóng)的重量，更不能提供機(jī)動(dòng)飛行所需的附加氣動(dòng)力。也就是說(shuō)，用傳統(tǒng)的理論不能解釋昆蟲(chóng)飛行這一現(xiàn)象，它們自己有一套飛行中產(chǎn)生和控制空氣動(dòng)力的機(jī)制。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：有的鳥(niǎo)兒可以翱翔，而昆蟲(chóng)卻不能。

　　孫茂：就飛行機(jī)制來(lái)說(shuō)一般有兩種，一種是翱翔，一種是通過(guò)拍動(dòng)翅膀(撲翼)來(lái)產(chǎn)生飛行的力。有些大鳥(niǎo)可以利用上升氣流從而不費(fèi)力地滑翔，而昆蟲(chóng)飛行卻完全靠撲翼，所需空氣動(dòng)力主要來(lái)自往復(fù)撲動(dòng)的翅膀與周?chē)諝忾g的相互作用。而同樣是撲翼，鳥(niǎo)兒的撲翼和昆蟲(chóng)的撲翼也是不同的。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：提到拍動(dòng)翅膀，我們首先會(huì)想到的是鳥(niǎo)兒和飛行昆蟲(chóng)的翅膀是不同的，它們是否在利用翅膀方面有所不同？

　　孫茂：鳥(niǎo)兒的翅膀有羽毛，相對(duì)面積較大，而且能夠收展伸縮、彎曲成弧，這樣的翅膀上下扇動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生較大的推力，使鳥(niǎo)體快速向前飛行；鳥(niǎo)，特別是大鳥(niǎo)，產(chǎn)生的空氣流動(dòng)近似是恒定的，我們稱為準(zhǔn)定常流；而昆蟲(chóng)的翅膀由膜質(zhì)表皮構(gòu)成，有翅脈，似兩層薄紙夾著支棍的風(fēng)箏構(gòu)造，這樣的翅膀大小恒定，略顯僵硬，但可以作一定角度的旋轉(zhuǎn)，也正是由于這個(gè)功能，翅膀可作上、下、前、后的高速拍動(dòng)，這種拍動(dòng)，產(chǎn)生了鳥(niǎo)兒所不能的飛行特技，創(chuàng)造了一個(gè)更復(fù)雜的空氣動(dòng)力機(jī)制，從飛行仿生角度來(lái)看，會(huì)給我們更多的啟示。

　　昆蟲(chóng)翅膀快速旋轉(zhuǎn)、拍動(dòng)，靠“渦”飛行的機(jī)制給我們以啟示

　　遼寧日?qǐng)?bào)：既然我們要研究昆蟲(chóng)飛行、研究仿生，首先有一個(gè)問(wèn)題，就是要對(duì)它的飛行有一個(gè)觀測(cè)，那么如何對(duì)這個(gè)“細(xì)微”的飛行實(shí)現(xiàn)觀測(cè)？

　　孫茂：飛行要借助空氣，所以我們運(yùn)用流體力學(xué)理論來(lái)研究它的飛行，觀測(cè)的方法是將要觀測(cè)的昆蟲(chóng)置于箱子里(稱為“飛行箱”)，用高速攝像機(jī)記錄下其飛行狀態(tài)，然后進(jìn)行圖像處理和圖像分析，有了昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)后，再用空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究和計(jì)算。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：通過(guò)科學(xué)研究，我們發(fā)現(xiàn)昆蟲(chóng)飛行時(shí)翅膀的拍動(dòng)到底有什么特點(diǎn)？

　　孫茂：昆蟲(chóng)要想在空中不“掉下來(lái)”，就要有一個(gè)平衡重量的升力，而要想飛行，至少還要有一個(gè)克服身體阻力的推進(jìn)力，那么我們就來(lái)看看這兩個(gè)力是如何形成的。許多昆蟲(chóng)飛行時(shí)，其翅膀可視為一個(gè)平板，在一個(gè)向前傾斜的平面內(nèi)高頻率地拍動(dòng)，較大的昆蟲(chóng)(例如蜻蜓)翅膀每秒鐘拍動(dòng)20～30次，十分小的昆蟲(chóng)可達(dá)500～600次。我們以果蠅為例，它在中快速飛行中，翅膀向前下方拍動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生一小的推進(jìn)力和一較大的舉力，之后，翅翻轉(zhuǎn)，向后上拍動(dòng)，產(chǎn)生一小的升力和一較大的推進(jìn)力，就這樣，翅膀通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)改變其方位角來(lái)維持往復(fù)拍動(dòng)，產(chǎn)生大小不斷變化的舉力和推進(jìn)力，以至利用這些力來(lái)實(shí)現(xiàn)各種飛行行為；另外，我們發(fā)現(xiàn)在不同階段，它還通過(guò)三種巧妙的方式產(chǎn)生了高升力，拍動(dòng)初始階段，通過(guò)翅的拍動(dòng)快速加速以產(chǎn)生升力；翅在啟動(dòng)后通過(guò)周向轉(zhuǎn)動(dòng)和變形，產(chǎn)生較大的升力，在拍動(dòng)結(jié)束階段，翅的快速上仰運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生升力。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：力是產(chǎn)生了，但您剛才也提到一點(diǎn)，產(chǎn)生這個(gè)力是否足夠大、是否能支撐飛行？

　　孫茂：簡(jiǎn)單的上下?lián)鋭?dòng)顯然是不可能產(chǎn)生有效的升力的，奧秘就在于翅在撲動(dòng)過(guò)程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)。昆蟲(chóng)的翅往往具有一定的柔性和彈性，在振動(dòng)過(guò)程中受力的作用將發(fā)生變形，翅根部的肌肉張緊使翅內(nèi)旋或外旋，這樣就會(huì)形成連續(xù)、高速、旋轉(zhuǎn)式的拍動(dòng)，使空氣的氣流形成一個(gè)流體的“渦”，具體說(shuō)，它們?cè)谛∨膭?dòng)幅角前飛時(shí)，翅膀向前拍動(dòng)后形成一個(gè)比較完整的渦環(huán)，翅膀向后拍動(dòng)后形成一個(gè)不完整的渦環(huán)，這樣，多次拍動(dòng)形成頭尾相接的“Z”形渦環(huán)鏈。該渦環(huán)隨時(shí)間擴(kuò)大，這就是物理學(xué)上的“非常定流”；而這個(gè)“渦”產(chǎn)生的力是很強(qiáng)大的，我們可以形象地想一下龍卷風(fēng)、江河里的漩渦等，就會(huì)有所體會(huì)。當(dāng)然，動(dòng)物界類(lèi)似的“渦”還有許多，如鳥(niǎo)類(lèi)水平向前飛行時(shí)的尾渦、魚(yú)類(lèi)的胸鰭快速游動(dòng)時(shí)形成一串連接在一起的渦環(huán)，這些渦對(duì)飛、對(duì)游都產(chǎn)生了巨大的動(dòng)力。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：昆蟲(chóng)特有的懸停飛行是否也是這個(gè)渦在起作用？

　　孫茂：是的，蜜蜂、果蠅在懸停飛行時(shí)，拍動(dòng)平面是水平的(沒(méi)有向前飛時(shí)的斜角)，向前拍動(dòng)和向后拍動(dòng)的阻力大小相同但方向相反，拍動(dòng)一周期中的平均值為零，因而，翅膀上平均氣動(dòng)力是垂直向上的，其平衡昆蟲(chóng)身體重量，而且它們不斷地調(diào)整其翅膀的拍動(dòng)幅度、翅膀迎角等來(lái)進(jìn)行有效的控制，形成動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定。

　　各國(guó)爭(zhēng)先研制發(fā)展隱蔽、靈活的仿昆蟲(chóng)式微型飛行器

　　遼寧日?qǐng)?bào)：看來(lái)，蜜蜂、果蠅的飛行，無(wú)論從動(dòng)力機(jī)制、身體構(gòu)造及飛行形態(tài)來(lái)說(shuō)都是很奇特的，這對(duì)我們有什么啟示？

　　孫茂：昆蟲(chóng)的飛行十分復(fù)雜和精妙，在構(gòu)造形態(tài)、運(yùn)動(dòng)方式、利用空氣動(dòng)力等方面，達(dá)到了完美的程度，這是經(jīng)過(guò)數(shù)億年的生物飛行過(guò)程，不斷“實(shí)驗(yàn)”和“選擇”的結(jié)果，是任何現(xiàn)有的人類(lèi)飛行器無(wú)法比擬的，我們?cè)窖芯烤驮接X(jué)得它們不簡(jiǎn)單，而現(xiàn)在的研究可以說(shuō)只揭示了昆蟲(chóng)飛行理論的“冰山一角”，很多問(wèn)題有待探索，但就是這 “冰山一角”，也為我們呈現(xiàn)出空氣動(dòng)力學(xué)的一個(gè)嶄新的領(lǐng)域和境界。而大自然給我們?cè)O(shè)定了一個(gè)理想的飛行狀態(tài)，那么我們就要用科學(xué)手段去認(rèn)識(shí)這個(gè)飛行的奧秘，使飛行理論有所突破，同時(shí)希望能像昆蟲(chóng)那樣飛行，當(dāng)然并不是人自身，而是從仿生學(xué)的角度，制造出一種機(jī)械的微型飛行器，完成昆蟲(chóng)式的飛行。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：多大尺寸的飛行器可稱為微型飛行器？微型飛行器必須要模仿昆蟲(chóng)嗎？

　　孫茂：模仿鳥(niǎo)的大型飛機(jī)早已研制成功，技術(shù)相對(duì)成熟，微型飛行器(MAV)是上世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一種新型飛行器，最初尺寸為10厘米大小，但身軀變小的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，目前甚至以制造蜜蜂大小的飛行器為目標(biāo)。這種微型“飛機(jī)”并不是簡(jiǎn)單地把大飛機(jī)按比例縮小，大飛機(jī)飛行的空氣動(dòng)力原理根本對(duì)它不起作用，也就是說(shuō)在空氣動(dòng)力原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)、裝置設(shè)備等多個(gè)方面與大飛機(jī)迥然有異，甚至可以說(shuō)是全新的系統(tǒng)。要想完成這個(gè)系統(tǒng)，最關(guān)鍵的就是一套全新的空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)制和機(jī)械微加工技術(shù)。在動(dòng)力機(jī)制方面，飛行昆蟲(chóng)的結(jié)構(gòu)和撲翼飛行機(jī)理正好為此提供了多方面有益的啟示和解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的途徑，科學(xué)家正深入研究和總結(jié)其規(guī)律及作用機(jī)理以指導(dǎo)微型飛行器的研制。

　　遼寧日?qǐng)?bào)：據(jù)了解，西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)此十分重視，微型飛行器的研制已成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的高科技領(lǐng)域，那么微型飛行器有怎樣的用途？

　　孫茂：微型飛行器涉及流體力學(xué)理論、仿生學(xué)及機(jī)械設(shè)計(jì)、微加工、微動(dòng)力、微能源、新材料、信息傳輸?shù)榷喾N高精尖技術(shù)，所以以微型飛行器為目標(biāo)，在研發(fā)過(guò)程中必然帶動(dòng)這些學(xué)科技術(shù)的發(fā)展和飛躍。同時(shí)，就微型飛行器本身來(lái)說(shuō)，其在軍事上的意義十分巨大，可以想象，如果像蜜蜂一樣大小和形狀的飛行器投入軍事，將給偵察、監(jiān)控、電子干擾、生物制品攜帶等帶來(lái)極大的便利，因?yàn)樗鼈凅w積微小、隱蔽性好、靈活性高，極難為對(duì)方察覺(jué)，能對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝負(fù)起到重要的作用。當(dāng)然，基于這一特點(diǎn)，它也可以在民用的許多領(lǐng)域施展身手，比如醫(yī)療、通信、農(nóng)業(yè)勘探、自然災(zāi)害和特種環(huán)境監(jiān)測(cè)等。正因有著巨大的應(yīng)用前景，微型飛行器一直受到各國(guó)的高度重視，比如在美國(guó)，從上世紀(jì)90年代末，已經(jīng)實(shí)施多個(gè)微型飛行器研究計(jì)劃，從事該項(xiàng)研究的高等院校和研究單位已達(dá)150余家，發(fā)展非常迅速，在很短時(shí)間內(nèi)，就研制出一批性能優(yōu)良的試驗(yàn)樣機(jī)，并不斷改進(jìn)，在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。我國(guó)也正加緊昆蟲(chóng)飛行原理和微型飛行器的研究，這一研究受到國(guó)家科學(xué)計(jì)劃的大力支持，但鑒于其艱巨性及重要作用，我們必須在昆蟲(chóng)飛行機(jī)理及微加工等方面，以百倍的努力來(lái)迎接這份挑戰(zhàn)。

　　專家檔案

　　孫茂 北京航空航天大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。流體力學(xué)研究所所長(zhǎng)，流體力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。目前從事的研究領(lǐng)域?yàn)榉律黧w力學(xué)，為微型飛行器提供氣動(dòng)布局和控制方式的新概念；兼任中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)流體力學(xué)專業(yè)委員會(huì)副主任、教育部力學(xué)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員等職。

　　記者／劉洪宇