付 強，張 祥，趙 民，張春華，賀 威?

1) 北京科技大學(xué)自動化學(xué)院，北京 100083 2) 北京科技大學(xué)人工智能研究院，北京 100083 3) 中國兵器裝備集團自動化研究所有限公司，綿陽 621000

仿生撲翼飛行器是以鳥類或昆蟲等為原型設(shè)計的飛行器，其飛行方式與鳥類或昆蟲類似，能僅僅通過機翼撲動來產(chǎn)生飛行所需的升力和推力，具有較好的運動敏捷性和較高的能量利用效率[1]，在國防軍事和民用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景.仿生撲翼飛行器所處流場的雷諾數(shù)范圍一般在2000～100000之間，在這一范圍的氣體流動中層流起主要作用，使得飛行器除產(chǎn)生較大的升力和力矩外，還會產(chǎn)生較大的空氣阻力，其升阻比不到普通飛機的1/3[2].而且隨著機翼的撲動，周圍流場屬非定常流動，故用傳統(tǒng)的空氣動力學(xué)方法很難做出準(zhǔn)確解釋.為了提高仿生撲翼飛行器設(shè)計的精細化程度，需要研究環(huán)境風(fēng)速、撲動頻率、翼型、迎角等對仿生撲翼飛行器氣動性能的影響，為飛行器整體設(shè)計提供參考.仿生撲翼飛行器研究方法一般有氣動計算、風(fēng)洞實驗和外場試飛三種方法[3].氣動計算方法雖然應(yīng)用廣泛，但對于處理數(shù)值分析所必需的建模和仿真是一項巨大的挑戰(zhàn)，在涉及流固耦合時更加明顯，且仿生撲翼飛行器運動機理復(fù)雜，變量多且耦合性強，目前還沒有精確且適用的計算模型；外場試飛的方法無法精確測量出飛行器復(fù)雜的氣動力；風(fēng)洞實驗可以在完全相同或者大體相同的條件下，對所研究的問題進行模擬與觀測，因此所得數(shù)據(jù)比較真實、可靠.所以對仿生撲翼飛行器進行風(fēng)洞實驗是非常必要的.

1 仿生撲翼飛行器專用風(fēng)洞

1.1 風(fēng)洞

風(fēng)洞即指風(fēng)洞實驗室，是可以人為產(chǎn)生并控制氣體流動的實驗裝置，它可以實時模擬飛行器飛行時周圍氣體的流動，目前已被認(rèn)為是一種飛行器設(shè)計、制造的重要實驗方法.研究人員可以在風(fēng)洞內(nèi)進行包括飛行試驗、強度試驗在內(nèi)的多種實驗，用來驗證新機型或者設(shè)計方案的合理性，并可以度量氣流對實體的作用效果、觀察物理現(xiàn)象.隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，風(fēng)洞展示出越來越重要的地位，不只是在飛行器的研究方面，在建筑、風(fēng)能等研究方面也有重要的應(yīng)用.

風(fēng)洞一般由洞體、驅(qū)動系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)組成.早期的風(fēng)洞一般采用開口式結(jié)構(gòu)，洞體也較為簡單，僅包括加速氣流用的收縮段、放置飛行器的試驗段和風(fēng)機段三部分，且由于當(dāng)時主要采用機械式力平衡裝置進行測力，只能將飛行器固定在測力裝置上進行升阻力測試，這就需要通過改變風(fēng)洞結(jié)構(gòu)來改變飛行器迎角、來流速度等參數(shù)，如1922年奧地利科學(xué)家Katzmayr[4]通過調(diào)節(jié)在風(fēng)洞口處設(shè)置的擋板來模擬機翼的周期性變化，1968年英國生物學(xué)家Pennycuick[5]通過調(diào)節(jié)試驗段洞口的朝向來改變飛行器迎流角度.但隨著對實驗精度要求的提高，洞體結(jié)構(gòu)變得越來越復(fù)雜，為了減小外界氣流對試驗段氣流的干擾，洞體試驗段由開口式改為了閉口式；為了提高氣流均勻度，并降低氣流湍流度，增加了穩(wěn)定段并在穩(wěn)定段內(nèi)部增加了金屬防風(fēng)網(wǎng).現(xiàn)在的風(fēng)洞洞體一般由穩(wěn)定段、收縮段、試驗段和擴散段組成，如圖1所示為北京科技大學(xué)的開口回流式低速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖，其中穩(wěn)定段和收縮段起到提高氣流均勻度和加速氣流的作用；試驗段是對模型進行觀察和測量的部位；一些風(fēng)洞的擴散段分為第一和第二擴散段，第一擴散段起到降低流速、減少能量損失的作用，第二擴散段可將氣體引向風(fēng)洞外或者引回到風(fēng)洞入口處.

圖1 開口回流式低速風(fēng)洞結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Wind tunnel structure of a flapping-wing aerial vehicle

風(fēng)洞的驅(qū)動系統(tǒng)一般分兩類，一類是由可控電機組和由它帶動的風(fēng)扇或軸流式壓縮機組成；另一類是用小功率的壓氣機事先將空氣增壓貯存在貯氣罐中，或用真空泵把與風(fēng)洞出口管道相連的真空罐抽真空，實驗時快速開啟閥門，使高壓空氣直接或間接進入洞體.第一類驅(qū)動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)周期長，且氣體流速的增大會使驅(qū)動功率急劇增大，所以多用于低速風(fēng)洞.第二類驅(qū)動系統(tǒng)的工作時間一般是幾秒到幾十秒不等，且雷諾數(shù)較高，多用于跨聲速、超聲速和高超聲速風(fēng)洞.

風(fēng)洞測量控制系統(tǒng)的作用是按預(yù)定的實驗程序，控制各種閥門、活動部件、模型狀態(tài)和儀器儀表，并通過天平、壓力和溫度等傳感器，測量氣流參量、模型狀態(tài)和有關(guān)的物理量.隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)洞測量控制系統(tǒng)已經(jīng)由原來的人工測量和記錄，發(fā)展為現(xiàn)在采用電子液壓的測控系統(tǒng)，其實時性和準(zhǔn)確度都有了質(zhì)的飛躍.

基本上所有的風(fēng)洞都是由以上三部分組成，但是不同用途的風(fēng)洞在這三個方面又不盡相同.固定翼飛行器一般飛行速度比較快，所需風(fēng)洞中的氣體流速比較高，一般采用第二類驅(qū)動系統(tǒng)；而旋翼飛行器則由于其螺旋槳方向的問題，專用風(fēng)洞一般采用自下向上吹風(fēng)的方式；仿生撲翼飛行器專用風(fēng)洞一般要求流場速度較低，但對流場品質(zhì)要求較高.旋翼和仿生撲翼飛行器專用風(fēng)洞多采用第一類驅(qū)動系統(tǒng).

1.2 仿生撲翼飛行器專用風(fēng)洞

仿生撲翼飛行器專用風(fēng)洞根據(jù)試驗段是否開放，可分為開口式和閉口式兩種，開口式風(fēng)洞試驗段開放，洞壁干擾較小，但易受外界氣流擾動，需要將操作間和實驗間隔開，以減少外界氣流對試驗段氣流的影響.根據(jù)擴散段是否將氣流引回風(fēng)洞入口處又可分為回流式和直流式風(fēng)洞.如圖2所示為北京科技大學(xué)開口回流式低速風(fēng)洞，該風(fēng)洞全長37 m，采用開口回流式結(jié)構(gòu)，具備較低的穩(wěn)定風(fēng)速和較好的流場品質(zhì)，可以滿足對微型仿生撲翼飛行器的氣動特性進行研究的要求.該風(fēng)洞的主要參數(shù)如下：試驗段口徑為0.63 m×0.63 m；試驗段長為0.7 m；可控風(fēng)速范圍為0.5～20 m·s-1；在常用風(fēng)速范圍內(nèi)（1～20 m·s-1），流速穩(wěn)定性系數(shù)≤0.5%；試驗段氣流偏角≤1°；試驗段紊流度≤1%.

圖2 北京科技大學(xué)微型飛行器專用風(fēng)洞Fig.2 Special wind tunnel for a microair vehicle of University of Science and Technology Beijing

1.3 風(fēng)洞配套實驗裝置

仿生撲翼飛行器與固定翼很大的不同在于，其在飛行過程中翅膀做周期性上下?lián)鋭?在自然界中，不同體型的鳥類或昆蟲，其撲翼頻率相差很大，氣動特性表現(xiàn)也大不相同，所以在風(fēng)洞實驗中對撲翼頻率進行控制非常必要.目前常用的頻率測試方法是采用漫反射光電傳感器，其基本原理基于光電效應(yīng)，即在光照射在某種物質(zhì)上時，該物質(zhì)的電子吸收光子的能量而產(chǎn)生相應(yīng)的光電效應(yīng).這種傳感器的一大優(yōu)點是可在不接觸飛行器的前提下，測量到仿生撲翼飛行器的撲翼頻率.如圖3所示為歐姆龍VTE-18-4N4212漫反射光電開關(guān).

圖3 歐姆龍VTE-18-4N4212 漫反射光電開關(guān)Fig.3 OMRON VTE-18-4N4212 diffuse reflection photoelectric switch

為了測量全流場實時速度信息，在風(fēng)洞實驗中一般會采用PIV（Particle Image velocity measurement）系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在流場中布撒示蹤粒子，并采用脈沖激光片光源射入到該流場中，通過多次曝光，得到粒子圖像，之后通過對圖像進行分析處理，得到流場速度分布圖.該系統(tǒng)相較于皮托管測速，擁有諸多優(yōu)點.首先皮托管測速采用接觸式測量方法，其本身會對流場有一定干擾，其次皮托管只能對流場進行單點測量；而PIV采用非接觸式測量方法，不會對流場造成影響，且其可對全流場進行瞬態(tài)三維測量.如圖4所示為數(shù)字式粒子圖像測速系統(tǒng).

圖4 數(shù)字式粒子圖像測速系統(tǒng)Fig.4 Digital particle image velocimetry system

仿生撲翼飛行器在進行風(fēng)洞實驗時，其翅膀會進行上下?lián)鋭?，為了在不干擾流場的情況下測量飛行器翅膀在飛行過程中的柔性形變，一般采用 DIC（Digital image correlation）系統(tǒng).該系統(tǒng)采用兩個攝像頭，形成雙目立體視覺來觀察翼膜隨迎角和流速等變化產(chǎn)生的形變量，是一種非接觸式的光學(xué)測量方法[6-7].如圖5為DIC系統(tǒng)在實驗中的應(yīng)用.

圖5 DIC系統(tǒng)[6]Fig.5 Digital image correlation[6]

除高速攝像機外，往往還需要與飛行器專用風(fēng)洞相配套的升阻力測試裝置，1871年英國建造世界上第一臺風(fēng)洞的時候，就為其風(fēng)洞配置了測量升力和阻力的天平[8].隨著技術(shù)的發(fā)展，目前應(yīng)變天平、磁懸掛天平、壓電天平越來越多地被應(yīng)用于升阻力測量中[9].目前經(jīng)常使用的有二分量和三分量應(yīng)變天平，二分量即指升力和阻力測量，三分量增加了俯仰力矩.除此之外，還有六分量應(yīng)變天平，包括升力、推力、側(cè)向力、滾轉(zhuǎn)力矩、偏航力矩和俯仰力矩.仿生撲翼飛行器的氣動力一般很小，最大能達到幾百克，且會隨著翅膀的周期性撲動做周期性變化，這就要求仿生撲翼飛行器專用測力裝置有較好的量程精度且對氣動力具有較好的動態(tài)響應(yīng).針對微型仿生撲翼飛行器，現(xiàn)多采用美國ATI公司（ATI industrial automation）的nano17系列六自由度傳感器，如圖6即為ATI公司的nano17力傳感器，該傳感器具有體積小、精度高，響應(yīng)速度快和質(zhì)量輕等優(yōu)點，使用時只需根據(jù)自己實驗所需，做一些簡單的支撐件設(shè)計即可.

圖6 ATI nano17Fig.6 ATI nano17

為了更直觀地觀察流場繞模型的流動現(xiàn)象，需要對風(fēng)洞中的流場進行可視化.流場可視化方法包括實驗顯示方法和數(shù)值顯示方法，實驗顯示方法是通過實驗手段，把觀察不到或不易觀察到的流動現(xiàn)象進行顯示，主要包括絲線法、煙線法和染色線法等方法；數(shù)值顯示方法是通過計算然后用計算機圖像進行可視化.上面講到的PIV系統(tǒng)測量得到的全流場三維瞬態(tài)速度圖，經(jīng)過計算機處理后，即可作為數(shù)值顯示方法用在風(fēng)洞流場顯示實驗中.目前在清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等學(xué)校的風(fēng)洞實驗中采用的方法都是煙線法.通常的做法是，使用一個由閥門控制的滴油系統(tǒng)，不斷將不易燃的礦物油滴到金屬絲上，然后給金屬絲通電加熱，油由于加熱而產(chǎn)生煙霧，煙霧可以直觀顯示氣流繞模型的流動狀態(tài).圖7即為煙流法下顯示的流場.

圖7 煙流法下顯示的流場Fig.7 Flow field under the smoke flow method

2 國內(nèi)外仿生撲翼飛行器風(fēng)洞實驗研究進展

國外在仿生撲翼飛行器的研究方面起步較早.在仿鳥撲翼飛行器的研究方面，2011年，德國Festo公司研制的SmartBird，采用雙段翼，翅膀采用碳纖維做支撐，翼膜為聚氨酯泡沫蒙皮，空氣動力效率高達80%[10]，在一定程度上驗證了雙段翼較單段翼具有更好的氣動特性.在仿昆蟲撲翼飛行器的研究方面，代爾夫特理工大學(xué)研制的Delfly Nimble[11]，采用四翼X翼型，搭載了立體視覺感知系統(tǒng)[12]，擁有懸停能力.哈佛Robert J.Wood教授領(lǐng)導(dǎo)的哈佛大學(xué)微機器人實驗室研究人員設(shè)計的RoboBee能從一開始的受控飛行到學(xué)會游泳和停歇再優(yōu)雅地浮出水面.最近該微型飛行器又取得了新的重大突破：改進后的RoboBee X-Wing[13]長5 cm、重259 mg，其中本體的質(zhì)量只有90 mg，其余為電池和電子設(shè)備的質(zhì)量.

我國關(guān)于鳥類和昆蟲的仿生研究起步較晚，研究單位主要有西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京科技大學(xué)等.現(xiàn)在國內(nèi)越來越多的科研院所對這方面的研究表現(xiàn)出了濃厚的興趣，我國在仿生撲翼飛行器的研制方面也做出了不少成果.在仿鳥撲翼飛行器的研究方面，西北工業(yè)大學(xué)宋筆鋒教授團隊Yang等研發(fā)了一款名為Dove的仿生撲翼飛行器[14]，其機身質(zhì)量不到300 g，但續(xù)航時間超過了20 min，并且具有一定的抗風(fēng)能力；北京科技大學(xué)的USTBird仿鳥撲翼飛行器[15]采用兩個獨立的舵機，能夠?qū)崿F(xiàn)兩側(cè)機翼的獨立控制，完成滑翔、盤旋等不同的飛行動作，實現(xiàn)15～20 min持續(xù)飛行；哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院自主研制了一款“鳳凰”仿生撲翼飛行器[16]，該飛行器翼展2 m，質(zhì)量僅約 670 g，飛行速度可達 3～8 m·s-1，且具有優(yōu)良的抗風(fēng)能力；在仿昆蟲撲翼飛行器研究方面，北京科技大學(xué)賀威教授團隊研發(fā)的USTButterfly仿蝴蝶撲翼飛行器，質(zhì)量僅為90 g，能夠模仿蝴蝶的飛行方式進行飛行；北京航空航天大學(xué)Zhang和Sun[17]提出了全層流假設(shè)，對飛蛾、果蠅和蜜蜂等8種昆蟲進行數(shù)值模擬研究，在此基礎(chǔ)上探索了微型飛行器的飛行原理.

與固定翼和旋翼飛行器相比，影響仿生撲翼飛行器飛行的因素包括撲動頻率、飛行迎角、翼型和尾翼形狀等.目前受非定常氣動設(shè)計優(yōu)化理論與方法不足的影響，現(xiàn)有研究主要是通過風(fēng)洞實驗研究撲動運動參數(shù)或形狀外形參數(shù)對氣動性能的影響，以此獲得氣動特性隨設(shè)計變量不同的變化規(guī)律，并據(jù)此來確定仿生撲翼飛行器的設(shè)計參數(shù)范圍.目前風(fēng)洞被認(rèn)為是一種飛行器高速發(fā)展必不可少的設(shè)備，我們要想深入研究仿生撲翼飛行器的飛行機理、研制出更加可靠穩(wěn)定的仿生撲翼飛行器，進行相應(yīng)的風(fēng)洞實驗必不可少.在做相應(yīng)的風(fēng)洞實驗之前，有必要對前人所做的風(fēng)洞實驗進行總結(jié)和分析.在2.1、2.2和2.3中，本文將仿生撲翼飛行器風(fēng)洞實驗分為仿鳥撲翼飛行器風(fēng)洞實驗和仿昆蟲撲翼飛行器風(fēng)洞實驗兩部分進行介紹.

2.1 仿鳥撲翼飛行器風(fēng)洞實驗

仿鳥撲翼飛行器由于其體積較大，載重也相對較大，對攜帶的電池和機載攝像頭等設(shè)備的要求不是那么苛刻，因此仿鳥撲翼飛行器是目前仿生撲翼飛行器的研究熱點，國內(nèi)外都有很多機構(gòu)對此進行了深入的研究.

鳥類的翅膀具有非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如圖8為信鴿的翅膀羽毛結(jié)構(gòu)，由飛羽、覆羽、肩羽、羽干和翼角組成[18].鳥類在飛行時翅膀還具有非常復(fù)雜的動作，一般鳥類在撲動翅膀飛行時，都伴隨著翅膀完全展開、收攏等動作，且鳥類在不同飛行狀態(tài)時翅膀撲動頻率相差很大.但是仿鳥撲翼飛行器的研制目前還處于初級階段，還不能做到完全模仿鳥類飛行時的所有動作.目前的研究內(nèi)容主要關(guān)注于如何為飛行器提供更高的升力和推力，包括翅膀的形狀與翼型、撲動機構(gòu)的撲動頻率、飛行時的迎角等對飛行器升力和推力的影響，以及在負載能力和電池效率沒有得到明顯提升的前提下，如何提高飛行器的續(xù)航能力.

圖8 鳥類翅膀結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of a bird wing

2.1.1 迎角、撲翼頻率、來流速度對飛行器氣動特性的影響

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，撲翼頻率、飛行迎角、來流速度等對仿鳥撲翼飛行器飛行的升力和推力都有很大影響.太高的撲翼頻率不利于提高飛行器續(xù)航，過低的撲翼頻率又可能使得升力不夠，而且撲翼頻率的確定關(guān)系著驅(qū)動結(jié)構(gòu)的設(shè)計和電機的選型；飛行迎角和來流速度的選擇也會影響飛行器的穩(wěn)定飛行和續(xù)航，所以有必要對這三個影響飛行器氣動性能的因素進行實驗研究.熊超和宋筆鋒[3]利用西北工業(yè)大學(xué)的微型飛行器專用風(fēng)洞對這三個方面進行了研究.實驗采用40 cm翼展的平面機翼，機翼面積為303 cm2，根弦弦長8 cm，整個飛行器重30 g.實驗采用控制變量法對撲翼頻率、飛行迎角和來流速度三個因素逐個進行了實驗研究.該實驗所用風(fēng)洞設(shè)備為當(dāng)時國內(nèi)唯一的微型飛行器專用風(fēng)洞，該風(fēng)洞采用直流式結(jié)構(gòu)，全長只有700 mm，試驗段口徑為500 mm×500 mm，具有較低的湍流度和較大的風(fēng)速變化范圍.風(fēng)洞力測量設(shè)備采用了西北工業(yè)大學(xué)自研三分量天平，X軸分量量程為3 N，Y軸分量量程為5 N，俯仰力矩量程為1.5 N·m，該天平在設(shè)計時便充分考慮了仿生撲翼飛行器對天平和支撐的剛度要求以及應(yīng)變梁的輸出靈敏性，材料采用了美國進口的預(yù)應(yīng)力超硬鋁，并考慮到與模型連接的方便和可靠，將天平和支撐做成了一個整體.經(jīng)試驗測試，該天平具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能和較高的精度.另外本試驗配置了齊全的采集和控制設(shè)備，具有自動調(diào)節(jié)飛行器迎角、流場風(fēng)速以及數(shù)據(jù)的實時采集等功能，圖9為熊超和宋筆鋒[3]實驗所用仿生撲翼飛行器.實驗的目的是確定升力、推力隨這三個影響因素的變化規(guī)律，從而更好地指導(dǎo)以后的飛行器設(shè)計.實驗最終表明迎角和來流速度是影響升力的主要因素，而撲動頻率是影響推力的主要因素.

圖9 熊超和宋筆鋒所用仿生撲翼飛行器和實驗機翼.（a）實驗用仿生撲翼飛行器；（b）實驗機翼[3]Fig.9 Flapping-wing aerial vehicle and the experimental wing used by Xiong C and Song B F: (a) experimental flapping-wing aerial vehicle；(b)experimental wing[3]

昂海松等[19]也對撲翼頻率、飛行迎角和來流速度進行了實驗研究.實驗風(fēng)洞為南京航空航天大學(xué)低紊流度風(fēng)洞，該風(fēng)洞采用回流式結(jié)構(gòu)，試驗段口徑也相對較大，達到0.75 m.實驗中力測量設(shè)備采用了南京航空大學(xué)自研的精微六分量天平，該天平力測量相對誤差小于0.06×10-2N，力矩測量相對誤差小于0.2×10-2N·cm，該實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了高速數(shù)據(jù)采集卡，最高采集速度可實現(xiàn)每秒采集20000點.另外，熊超和昂海松在實驗中使用的飛行器略有不同，昂海松在實驗中使用的飛行器翼展略小于熊超在實驗中使用的飛行器的翼展，翼展長度為34 cm，且翼尖處為1/4圓形，如圖10所示.文獻[3]和文獻[19]在給出的最終結(jié)論上稍有出入，這兩篇文獻的結(jié)論如表1所示，文獻[3]和文獻[19]實驗結(jié)論的不同可能來自于實驗所用飛行器的不同，也可能是實驗參數(shù)不同導(dǎo)致的.比如文獻[3]測量撲翼頻率對升力、推力的影響時，采用的迎角為6°，來流速度為7 m·s-1，而后者采用的迎角為7.5°，來流速度為5 m·s-1.當(dāng)然也有可能是其他因素，比如文獻[3]和文獻[19]所用的仿生撲翼飛行器翼型不同.

表1 熊超團隊和昂海松團隊實驗結(jié)果展示Table 1 Experimental results of Xiong C’s team and Ang H S’s team

圖10 昂海松等實驗所用撲翼飛行器[19]Fig.10 Flapping-wing aerial vehicle used by Ang H S’s team[19]

對于兩個團隊研究成果的差異可能來自于試驗時迎角或來流速度不同的猜想，在伊朗謝里夫理工大學(xué)2011年的一項實驗中得到了驗證[20].該實驗的內(nèi)容和上述兩個團隊的實驗內(nèi)容一致，均為探索撲動頻率、迎角和來流速度對飛行器氣動性能的影響，但文獻[20]對于每個影響因素的研究都做了多項實驗，比如在研究撲翼頻率的影響時，文獻[3]和文獻[19]都只做了迎角和來流速度固定為某個值時的一組實驗，但文獻[20]卻做了迎角和來流速度不同組合的多個實驗，這就使得伊朗研究團隊的實驗更加全面深入.圖11展示了伊朗研究團隊所設(shè)計的機翼結(jié)構(gòu)和完成后的機翼平面圖.圖12為伊朗團隊實驗所用的仿生撲翼飛行器和撲翼系統(tǒng)在風(fēng)洞試驗段中的示意圖.

圖11 仿生撲翼飛行器翼肋及機翼形狀平面圖.（a） 翼肋結(jié)構(gòu)；（b）機翼形狀平面圖Fig.11 Plan view of wing rib and wing shape of bionic flapping-wing aerial vehicle: (a) structure of the wing rib; (b) schematic of the planform view of the wing shape

圖12 仿生撲翼飛行器整機及撲翼系統(tǒng)示意圖.（a）仿生撲翼飛行器整機；（b）開放試驗段風(fēng)洞中的撲翼系統(tǒng)[20]Fig.12 Schematic of the whole bionic flapping-wing aerial vehicle: (a)the whole bionic flapping-wing aerial vehicle; (b) flapping wing system in the open test section of a wind tunnel[20]

文獻[20]研究發(fā)現(xiàn)平均升力隨迎角呈線性關(guān)系增長，隨來流速度呈二次函數(shù)關(guān)系增長，而與撲翼頻率弱相關(guān).在撲翼頻率對推力影響方面，平均推力值隨撲動頻率的增加呈二次函數(shù)變化，在不同的迎角下總體趨勢不變.在撲翼頻率對升力影響方面，要分低頻和高頻來看.對于低撲翼頻率，升力隨撲翼頻率的變化可以忽略不計；對于高撲翼頻率，撲翼頻率對升力的影響不如來流速度對升力的影響大，撲翼頻率的增加只能較小地增加升力.在低攻角時，升力隨撲翼頻率的增大而減小，基本呈撲翼頻率的二次方變化.

2.1.2 尾翼對飛行器飛行性能的影響

鳥類在飛行過程中，通過尾部快速連續(xù)移動以保持飛行穩(wěn)定性，特別是進行俯仰控制.沒有它，鳥類幾乎不能飛行.在變速風(fēng)洞中對訓(xùn)練有素的喜鵲和鴿子進行的飛行運動學(xué)研究表明，它們的肌體俯仰角和尾翼展開角隨飛行速度的增加而減小[21].對家燕的飛行運動學(xué)記錄表明，尾翼展開角和尾翼俯仰角隨飛行速度的變化而變化[22].鑒于鳥類尾翼的重要作用，對仿鳥撲翼飛行器尾翼的研究顯得十分重要.

國內(nèi)方面，熊超[23]在其一項研究中通過對西北工業(yè)大學(xué)自研飛行器進行有尾翼和無尾翼兩種狀態(tài)的一系列風(fēng)洞實驗和數(shù)值計算，總結(jié)了尾翼對仿生撲翼飛行器的若干作用.具體來說，包括影響升阻力大小、全機氣動焦點的后移和減小飛行時的一些動態(tài)特性（飛行時機身的一些沉浮和俯仰運動特性），該研究指出尾翼可以減小20%以上的豎直方向的位移和迎角變化.

此外，李喜喆[24]在風(fēng)洞中，通過調(diào)整尾翼與機身的夾角，得到了尾翼壓強分布圖，分析了尾翼與機身夾角和升力系數(shù)的關(guān)系.研究人員發(fā)現(xiàn)隨著尾翼與機身夾角的逐漸增大，尾翼所產(chǎn)生的升力系數(shù)與夾角接近線性增長關(guān)系.黃燦等[25]研究了尾翼形狀、張開角度及材料柔性三個方面，圖13展示了黃燦實驗用的橢圓形和燕尾形尾翼.實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)橢圓形和燕尾形尾翼具有更大的力矩，而形狀越接近三角形，所受力也越大；張開角度越大，橢圓形尾翼和燕尾形尾翼的力和力矩都增大，但橢圓形尾翼隨角度變化更為均勻；隨著柔性變形度增大，各個力都減小，但柔性程度對燕尾形尾翼的影響更大.

圖13 橢圓形和燕尾形尾翼.（a）橢圓形；（b）燕尾形[25]Fig.13 The oval and dovetail tails: (a) oval tail；(b) dovetail[25]

國外也有一些機構(gòu)進行了尾翼對飛行穩(wěn)定性的影響的研究[26-28]，Lee等[26]用自研仿生撲翼飛行器研究了尾翼對提高仿生撲翼飛行器縱向飛行穩(wěn)定性的作用，所用仿生撲翼飛行器如圖14所示.研究發(fā)現(xiàn)：（1）尾翼降低了機體俯仰角的振幅；（2）尾翼使仿生撲翼飛行器向前飛行的平均速度有所增加.結(jié)論（1）表明尾翼可以改善仿生撲翼飛行器縱向穩(wěn)定性；結(jié)論（2）提醒我們除了可以通過改變撲翼頻率來實現(xiàn)起飛、加速和著陸控制，還可以通過調(diào)整周期性尾翼運動的相位來控制起飛、加速和著陸時的平均速度，從而提高穩(wěn)定性.

圖14 試驗用仿生撲翼飛行器整機圖[26]Fig.14 The whole bionic flapping-wing aerial vehicle for testing[26]

2.1.3 翅膀翼型對飛行器氣動特性的影響

眾所周知，真實鳥類的翅膀在飛行時并不是一個完全平直的形狀，而是有一定的弧度，并且翅膀在靠近翼根處會向前凸起一定的角度.這兩個特點是否對鳥類能夠平穩(wěn)飛行起到作用？起到的作用又有多大？同時，如果把這兩個特點應(yīng)用到仿生撲翼飛行器上，是否會對飛行器的氣動性能起到影響？這些都是亟待研究的問題.機翼是產(chǎn)生升力的主要部件，早在1910年，俄羅斯航空之父Zhukovsky就對機翼的翼型進行了研究，發(fā)現(xiàn)了翼型對機翼的升阻比特性有著重要的影響[29]；Ashraf等[30]研究了不同厚度和弧度的翼型對推進性能的影響；Unger等[31]對海鷗的翼型剖面進行了研究.如今，各個航空發(fā)達的國家，如美國、德國、英國等均建立了自己的翼型數(shù)據(jù)庫，而我國至今沒有自己的翼型數(shù)據(jù)庫，但是在翼型方面的研究我們從沒有停下過腳步.蔡常睿[32]設(shè)計制作了一組仿信鴿的翅膀，該組翅膀截取了從翼根10%半翼展位置到翼尖90%半翼展位置的9組翼型模型，用來研究翼型對飛行器的氣動性能的影響.圖15展示了蔡常睿截取的9組翼型.實驗中對比得出了雷諾數(shù)在7×104和8×104兩種情況下，攻角為4°時不同翼型的升阻比情況，同時分析了單個翼型在不同攻角時的升阻比.

圖15 翼展處的翼型截面圖.（a）10% 翼長；（b）20% 翼長；（c）30% 翼長；（d）40% 翼長；（e）50% 翼長；（f）60% 翼長；（g）70% 翼長；（h）80% 翼長；（i）90% 翼長[32]Fig.15 Airfoil section at wingspan: (a) 10% chord; (b) 20% chord; (c)30% chord; (d) 40% chord; (e) 50% chord; (f) 60% chord; (g) 70% chord; (h) 80% chord; (i) 90% chord[32]

史繼拓等[33]通過觀察海鷗翅膀，發(fā)現(xiàn)海鷗翅膀前緣向前具有一定的凸起，向上具有一定的弧度.具體結(jié)構(gòu)如圖16所示.為了探究這兩點對撲翼飛行器氣動特性的影響，他們設(shè)計制作了三款翅翼：僅前凸翼型、僅上彎翼型和既前凸又上彎翼型，采用三維掃描和逆向工程技術(shù)重建了翅翼模型.打印制作后，經(jīng)過一系列風(fēng)洞吹風(fēng)實驗，比較分析了三款翅翼翼型機翼表面流場特征以及氣動參數(shù)變化.研究發(fā)現(xiàn)，完全構(gòu)型仿生機翼（既前凸又上彎的機翼），其升阻比和升力系數(shù)都高于仿生翼型平直機翼（僅前凸的機翼），且翼型仿生機翼（僅上彎的機翼）的升阻比都基本在機翼攻角為3°時達到最大值.這與邵立民等[34]在風(fēng)洞實驗中關(guān)于翼型彎度對機翼升力、阻力系數(shù)的影響結(jié)果一致.邵立民等[34]的研究成果中顯示，在低速情況下，帶彎度翼型機翼升力系數(shù)普遍比平板機翼大60%.目前國內(nèi)大多數(shù)飛行器都還是采用仿生翼型平直機翼，蔡常睿[32]和史繼拓等[33]的研究成果為仿生飛行器的性能提升和機翼的翼型設(shè)計都指明了一條道路.未來應(yīng)該有越來越多的仿生撲翼飛行器采用翼型仿生機翼，用以提升飛行器的性能.

圖16 具有上彎和前凸特征的海鷗翅膀Fig.16 Wings of a seagull characterized by upper bending and anterior protrusion

此外，在仿鳥撲翼飛行器風(fēng)洞實驗方面還有很多研究成果，如邵立民等通過風(fēng)洞實驗[34]研究了機翼平面翼面形狀對飛行器氣動特性的影響，張亞鋒等[35]研究了撲動幅值角對仿生撲翼飛行器氣動特性的影響，李康康和陳巍巍[36]研究了不同的撲翼剛度和撲翼頻率的組合對仿生撲翼飛行器升力和推力的影響，石成明等[37]、Warkentin和DeLaurier[38]都通過風(fēng)洞實驗研究了串列翼對撲翼飛行器推進性能的影響，付鵬等[39]研究了小范圍內(nèi)撲翼頻率和撲翼幅度對推力和功率的影響等.

2.2 仿昆蟲撲翼飛行器風(fēng)洞實驗

雖然現(xiàn)在對仿鳥撲翼飛行器的研究依然是一個熱點，但是隨著微動力與能源系統(tǒng)的研究，人們已經(jīng)對仿昆蟲撲翼飛行器展現(xiàn)出了越來越高昂的熱情，特別是昆蟲的飛行雷諾數(shù)和微型仿生撲翼飛行器的飛行雷諾數(shù)相當(dāng)，使得仿昆蟲撲翼飛行器很可能成為仿生飛行器領(lǐng)域的下一個領(lǐng)軍者.自從“蜜蜂悖論”現(xiàn)象出現(xiàn)以來，研究人員對小型昆蟲的結(jié)構(gòu)、運動學(xué)和空氣動力學(xué)方面表現(xiàn)出了濃厚的興趣.特別是昆蟲具有的懸停能力以及極小的體積，都使得其在執(zhí)行任務(wù)時具有更好的偵察和隱蔽能力.

昆蟲與鳥類的主要區(qū)別在于翅膀.昆蟲可以攜帶接近于兩倍自身體重的物品飛行[40]，金曉怡等在一篇研究中就指出這一現(xiàn)象可能與其翅翼的結(jié)構(gòu)密不可分[41].首先昆蟲的翅膀不像鳥類一樣擁有厚厚的羽毛和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，昆蟲的翅膀一般分翅脈和翅膜兩部分，翅脈做支撐，翅膜相當(dāng)于蒙皮[42]，有些昆蟲還會有毛發(fā)狀的翅翼結(jié)構(gòu)，甚至擁有多對翅膀，圖17為某類昆蟲翅膀的結(jié)構(gòu).有學(xué)者對昆蟲翅膀進行研究發(fā)現(xiàn)，其翅膀是變剛度的柔性體[43].

圖17 昆翅的結(jié)構(gòu)Fig.17 Structure of an insect wing

由于昆蟲體積太小，導(dǎo)致仿昆蟲撲翼飛行器對能源和控制器的要求極為苛刻，微型的仿昆蟲撲翼飛行器的實驗研究難度很大.雖然美國哈佛大學(xué)的微型機器人實驗室采用壓電驅(qū)動經(jīng)過多年研究，成功制作了一款翼展3 cm、高2.4 mm的微型仿昆蟲撲翼飛行器[44]，但是受負載、微動力與能源系統(tǒng)研究的限制，目前仿昆蟲撲翼飛行器實驗研究的對象多是蝴蝶和蜻蜓這類稍大些的昆蟲.另外，仿昆蟲撲翼飛行器的尺寸不是1∶1復(fù)刻自然界中的蝴蝶和蜻蜓，往往都是形狀相似，而尺寸則是放大了數(shù)倍，用來研究其翅膀形狀和撲翼頻率對于撲翼飛行器氣動特性的影響.本節(jié)也將著重介紹仿蜻蜓、蝴蝶等昆蟲的仿生撲翼飛行器風(fēng)洞實驗.

2.2.1 翅膀形狀對飛行器氣動特性的影響

自然界中，各種飛行昆蟲如蝴蝶、蜻蜓等翅膀形狀千差萬別，而他們所具有的飛行特征也千差萬別.比如，蝴蝶飛行只需很小的撲翼頻率就可以飛行，而蜻蜓則要達到更高的撲翼頻率才能夠使其正常飛行，這之間的差異，是不是由其翅膀形狀的不同而導(dǎo)致的？如果是，翅膀形狀又對飛行器的氣動性能有多大影響？

國外Muniappan等[45]對平面翅膀形狀對飛行器氣動特性的影響做了研究，實驗所用風(fēng)洞設(shè)備為開口式結(jié)構(gòu)，試驗段口徑僅為350 mm×350 mm.實驗采用了一種基于應(yīng)變片，可同時測量升力和推力的天平，整個天平采用“倒L”結(jié)構(gòu)，升力的測量可以由天平彎道處的應(yīng)變計算出來.該天平采用的電路設(shè)計可以消除彎道附近的軸向推力的相互作用，但是無法消除支架根部升力和推力的相互作用，但是由于升力可測，所以推力可以由計算得出.實驗中全部采用仿生翼面形狀.如圖18所示即為文獻[45]實驗用的機翼形狀，包括蜻蜓、蝴蝶、蜂鳥和鴿子四種翼面形狀.實驗中的四對翅膀不僅翼面材料和支撐材料相同，而且四對翅膀的翼面面積也相同，最后又通過一種巧妙的方法消除了展弦比（Aspect ratio, AR）對氣動力的影響，具體方法為：首先通過實驗研究了展弦比對仿生撲翼飛行器氣動力的影響，其次通過實驗數(shù)據(jù)對定常空氣動力學(xué)中展弦比對飛行器氣動力影響的公式進行了改進，得到了展弦比對仿生撲翼飛行器氣動力影響的經(jīng)驗公式，之后用該公式對四種翼面形狀對氣動力的影響結(jié)果進行了修正，消除了展弦比對氣動力的影響.文獻[45]研究結(jié)果顯示，在一個較高的頻率上時，昆蟲形狀的翅膀似乎比鳥類形狀的翅膀在升力的表現(xiàn)上更好，并對造成這種現(xiàn)象的原因進行了分析：與固定翼飛機機翼相比，昆蟲的翼根弦比翼尖弦小很多，而鳥類的翼根弦比翼尖弦要大，昆蟲的這種翅膀形狀，使它們具有較高的氣動彈性、較小的顫振和發(fā)散速度，也使得在相同展弦比和機翼面積的情況下，其升力比剛性機翼更大.

圖18 實驗所用4種翼面形狀Fig.18 Four wing shapes used in the experiment

2.2.2 昆蟲四翼結(jié)構(gòu)對飛行器氣動特性的影響

昆蟲擁有獨特的多翼結(jié)構(gòu).微型飛行器需要在極小的體積下提供盡可能大的升力，昆蟲獨特的多翼結(jié)構(gòu)可能會為飛行器提供更高的升力.現(xiàn)在已經(jīng)有很多采用多翼結(jié)構(gòu)的仿生撲翼飛行器被研制出來，也表現(xiàn)出了良好的飛行性能，例如Ryu等組裝的一款已經(jīng)商用的仿生撲翼飛行器[46]和Robert J.Wood領(lǐng)導(dǎo)的團隊中Chen等開發(fā)的RoboBee[13]，兩者都是采用的四翼X翼型.后者到目前為止已經(jīng)推出了多款改進版飛行器，如圖19為他們最新推出的RoboBee X-Wing，此時的RoboBee丟掉了電源線，通過太陽能電池提供動力，只要有光源，就能持續(xù)不斷地飛行.

圖19 RoboBee X-WingFig.19 RoboBee X-Wing

國內(nèi)外都有團隊對四翼結(jié)構(gòu)進行研究.國內(nèi)的研究團隊詳細分析了四翼撲翼飛行器的撲動初始角、扭轉(zhuǎn)角、撲動頻率、風(fēng)速、機身迎角和機翼柔性等在不同取值下的推力、升力系數(shù)的變化規(guī)律，最后得出了試驗用撲翼飛行器的最佳運動參數(shù)[47].國外的日本千葉大學(xué)研究團隊研究了昆蟲的獨特四翼結(jié)構(gòu)[48]，圖20展示了他們實驗中所用的四翼結(jié)構(gòu)的撲翼飛行器,飛行器各零件質(zhì)量已在圖中標(biāo)出，整機質(zhì)量小于3 g.該團隊首先對影響四翼微型飛行器氣動特性的因素進行了研究，之后對四翼和兩翼飛行器進行了對比.他們設(shè)計制作了一個雙翼翅膀和一個四翼翅膀，兩者均采用聚乙烯材料，四翼飛行器采用X型撲翼結(jié)構(gòu).研究結(jié)果顯示，在實際飛行中，俯仰角度大于40°時，四翼飛行器能夠產(chǎn)生兩倍于兩翼飛行器的升力.

圖20 千葉大學(xué)四翼撲翼飛行器[47]Fig.20 Chiba University’s four-wing flapping-wing aerial vehicle[47]

2.2.3 翼膜材料、厚度等對飛行器氣動特性的影響

除了對昆蟲翼膜結(jié)構(gòu)的翅膀形狀、數(shù)量進行研究外，Yang等[49]還對翼膜厚度、材料、剛度對飛行器的影響進行了實驗研究，圖21為文獻[49]試驗中所用翅膀的翼型輪廓.實驗對不同材料、不同厚度的翅膀進行了風(fēng)洞實驗，并成功利用實驗結(jié)論對他們已有的撲翼飛行器“金探子（Golden snitch）”進行了改進.經(jīng)過改進后的撲翼飛行器不僅性能優(yōu)于原來的撲翼飛行器，而且續(xù)航時間從原來的6 min提高到了8 min.這從一定程度上證明了翅膀采用不同的厚度和材料的組合，可能會對飛行器的性能有影響.

圖21 翅膀設(shè)計輪廓[48]Fig.21 Contour of a wing design[48]

除此之外，金曉怡等[41]也研究了昆蟲的柔性翅結(jié)構(gòu)對仿生撲翼飛行器氣動性能的影響.其所用風(fēng)洞為低速小型風(fēng)洞，該風(fēng)洞需要通過手持風(fēng)速儀測量試驗時真實風(fēng)速，并通過人工手動調(diào)節(jié)到準(zhǔn)確風(fēng)速，測量柔性翅翼形變所用設(shè)備為高速攝像機，并配備了實時頻率測試儀.整個實驗所用翅翼的前緣梁和翼脈由竹篾制作而成，前緣梁所用竹篾較粗，剛度比較大，而翅脈所用竹篾較細且截面積逐漸變小，以達到變剛度的效果.其實驗結(jié)果表明翅的柔性變形對昆蟲飛行高升力有貢獻，柔性翅較之剛性翅能夠為飛行器提供更大的升力.圖22為該團隊設(shè)計的變剛度翅膀.

圖22 變剛度翅膀[39]Fig.22 Variable stiffness wing[39]

此外，對仿昆蟲撲翼飛行器的風(fēng)洞實驗研究還有很多，如Okamoto等[50]通過兩種不同類型的風(fēng)洞實驗研究了蜻蜓翅膀的弧度、厚度、表面粗糙度和前緣銳度對機翼氣動特性的影響，Vogel[51]通過風(fēng)洞實驗研究了果蠅翅膀升力和阻力隨攻角和速度的變化，張福梁[52]通過風(fēng)洞實驗分析了蠅類撲翼產(chǎn)生高升力的原因.

此外，國內(nèi)外還有團隊對鳥類或者昆蟲翅膀表面的微觀結(jié)構(gòu)對飛行器氣動性能的影響進行了研究，包括清華大學(xué)團隊對鳥羽減阻的研究[53]，國外的 Hord和Liang Y[54]，Kim 等[55]，Levy和Seifert[56]對典型蜻蜓翅膀的獨特波紋翼型剖面的研究.

3 結(jié)論

本文從仿鳥和仿昆蟲兩方面詳細介紹了有關(guān)仿生撲翼飛行器的風(fēng)洞實驗，重點討論了飛行器各幾何參數(shù)和飛行參數(shù)對仿生撲翼飛行器氣動特性的影響，對仿生撲翼飛行器風(fēng)洞實驗有了基礎(chǔ)認(rèn)識.當(dāng)前，仿生撲翼飛行器正處于加速發(fā)展的重要階段，研究人員希望通過風(fēng)洞實驗對仿生撲翼飛行器擁有更加全面的認(rèn)識.過去幾十年，風(fēng)洞在固定翼和旋翼飛行器的研發(fā)中扮演了重要角色，特別是對早期飛行器的研究方面起到重要作用.仿生撲翼飛行器作為一種新型飛行器，與其他種類飛行器研究體系存在差異，現(xiàn)有的研究理論應(yīng)用在仿生撲翼飛行器上時存在諸多困難，風(fēng)洞實驗是較為真實有效的研究手段，但是目前針對仿生撲翼飛行器的風(fēng)洞實驗研究還缺乏系統(tǒng)性.基于此，在對仿生撲翼飛行器風(fēng)洞實驗更進一步的深入研究中，本文建議可以考慮以下幾個方面：

（1）對翅膀的蒙皮材料以及如何模仿鳥類的羽毛結(jié)構(gòu)進行研究.現(xiàn)有的仿生撲翼飛行器一般都是采用聚酯薄膜做蒙皮，蒙皮表面光滑，無任何其他涂層.但現(xiàn)實中的鳥類翅膀表面往往具有凹凸不平的溝壑，且有羽毛覆蓋.Festo的仿狐蝠飛行器BionicFlyingFox的表面就采用了氣密薄膜和氨綸織物的組合物，整個蒙皮表面都布滿了蜂窩結(jié)構(gòu)，達到了很好的飛行效果.

（2）多段翼飛行器的研究.真實的鳥類飛行時都不只是單段翼的上下?lián)鋭樱话愣际强烧郫B的多段翼結(jié)構(gòu).為了使撲翼飛行器擁有更高的仿生度，更好地模仿鳥類飛行，未來的仿生撲翼飛行器的研究很有可能會更傾向于多段翼或者主動變形機翼的研制.多段翼的各段翼之間的夾角以及展開與收攏等動作對飛行器氣動特性的影響，都值得通過風(fēng)洞實驗進行更深一步的研究.

（3）尾翼對飛行器氣動性能的影響.鳥類的尾翼具有多種作用，但是目前關(guān)于仿生撲翼飛行器的尾翼的研究還沒有得到足夠的重視，大多數(shù)風(fēng)洞試驗還是對飛行器的翅膀進行研究.要想提高仿生度和飛行器性能，尾翼的面積、形狀等對飛行器氣動性能影響的風(fēng)洞實驗研究應(yīng)該得到重視.

（4）多翼飛行器研究.目前越來越多的研究者開始關(guān)注仿昆蟲撲翼飛行器，仿昆蟲的多翼撲翼飛行器展現(xiàn)出相對于單翼撲翼飛行器更加優(yōu)良的氣動特性.其中在研究多翼飛行器翅膀布局時，需要考慮很多變量，如雙翼之間的間隙距離、各翼的相位角、甚至是在惡劣條件下機翼的耐久性等，都需要通過風(fēng)洞實驗來得到相關(guān)數(shù)據(jù).