昆虫前飞的运动学观测及空气动力学和飞行力学研究

The proposed project studies the flapping kinematics, aerodynamics and flight mechanics of representive insects in forward flight, using an approach that combines experimental observation and measurement, theorectical analysis and numerical simulation. The following items will be investigated: (1) measure wing-flapping parameters (flapping frequency, amplitude, wing angle of attack, etc.) in wind tunnel, at various flight speeds. (2) Based on numerical solutions of Navier-Stokes equations and vorticity dynamics theory, study the forward flight aerodynamic mechanisms and how power requirment changes with flight speed. (3) Based on the Floquet theory and averaged-model theory, analyse the dynamic flight stability and examine how flight stability changes with flight speed. (4) study flight control properties, including controlability, stabilization control, control from one flight speed to another. The study has potential applications in the development of micro-air-vehicles, and its results will also be very useful to biologists who study insects' comparative biology, neuro-biology, behavior, evolution, etc.

用实物观测、理论分析和数值模拟三者相结合的方法，研究典型昆虫在不同速度下前飞时的翅膀拍动运动学，气动力机制与能耗，及飞行动稳定性与控制。主要研究内容为：1)在风洞中定量测量翅膀的拍动频率、幅度、几何攻角等运动学参数，给出这些参数随前飞速度的变化规律；2)基于N-S方程数值解和涡动力学分析，探讨前飞气动力机制和能耗随飞行速度的变化规律；3)基于Floquet理论和"平均模型"理论，研究飞行的动稳定性，探讨稳定性特性随飞行速度的变化规律；4)研究飞行的控制特性(包括可控性，增稳控制，及改变飞行速度的控制)，探讨其中的空气动力学、动力学和控制原理。研究结果可为研制微型飞行器提供新概念和新原理，可增加人们对自然界的了解。

本项目对昆虫前飞的运动学（翅膀的拍动运动），空气动力学（升力、推力与相应的能耗）和飞行力学（动稳定性与控制）进行系统的研究，为微型飞行器的研制提供新概念；为生物学家研究昆虫的比较生理学提供力学依据。取得以下成果：1）给出了蜂蝇和果蝇起飞时翅膀拍动和身体运动的运动学参数。发现两种起飞方式：蜂蝇起飞时没有跳跃，完全由翅膀的气动力提供起飞的举力，就像直升机那样。果蝇起飞时，主要是用腿的弹跳力提供起飞的举力，翅膀的拍动运动的主要作用是控制姿态。2）给出了果蝇和蜂蝇悬停时翅膀拍动的运动学参数。3）通过风洞中自由飞行观测,首次获得中等和大前飞速度下昆虫翅膀拍动的运动学参数。4）发现果蝇悬停时产生高升力的一个新机制：“下俯后快速上仰机制”（每次拍动开始，翅膀速度很低，快速下俯至十分小的攻角;然后，此时翅膀速度已较大，快速上仰，后缘处产生了很大的涡量,导致很大的涡量矩的时间变化率，从而产生高升力）。5）发现果蝇和蜂蝇大速度前飞时产生大推力的一个新机制：“划桨机制” （通过在短时间内在翅膀的前缘和后缘产生不同方向的新涡量，导致很大的涡量矩的时间变化率，从而产生高升力）。6）揭示了飞行需用功率随飞行速度的变化关系近似为“J”形曲线，而不像飞机的那样为U形曲线。7)揭示了飞行速度小时，飞行是不稳定的（因纵向和横向都有不稳定模态）；中等速度下，飞行是近似为中性稳定的（因纵向和横向都有似为中性稳定的模态）；大速度下，飞行是不稳定的（因纵向模态中有一个特征值十分大的不稳定发散模态）。8）揭示了飞行虽然是动不稳定的，但是可控的（通过反馈适当的控制参数，可实现稳定的悬停飞行，例如，反馈状态变量以改变拍动平均角或翅膀攻角，纵向的不稳定模态可得到有效的控制）。9）揭示了改变（增大）飞行速度的主要控制为，身体倾角减小同时拍动平面倾角增大；拍动平均角增加。