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(niǎo)類(lèi)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(niǎo)類(lèi)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(guò)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(niǎo)類(lèi)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(niǎo)類(lèi)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(guò)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(xiě)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(xiě)了一份手稿，繪制了形似鳥(niǎo)類(lèi)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(guò)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(shuō)，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(niǎo)類(lèi)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(guò)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(lèi)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(guò)程中會(huì)經(jīng)歷各種不同的極端環(huán)境，而鳥(niǎo)類(lèi)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(niǎo)類(lèi)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(niǎo)類(lèi)，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(niǎo)類(lèi)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(guò)拍攝自然死亡鳥(niǎo)類(lèi)翅膀照片或用高速攝像頭拍攝正在運(yùn)動(dòng)的鳥(niǎo)類(lèi)翅膀進(jìn)行比對(duì)分析，提取鳥(niǎo)類(lèi)翼型特征，比對(duì)不同鳥(niǎo)類(lèi)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(niǎo)類(lèi)，研究者發(fā)現(xiàn)，魚(yú)類(lèi)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(yú)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(yú)的特征,以鱘魚(yú)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(yú)的仿生翼型。采用數(shù)值模擬的方式對(duì)鱘魚(yú)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(guò)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(guò)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(niǎo)類(lèi)和昆蟲(chóng)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(niǎo)類(lèi)或昆蟲(chóng)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(kāi)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(mén)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(wèn)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?？梢詫⒁硇筒鸱殖刹煌糠旨橙〔煌镍B(niǎo)類(lèi)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(guò)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。