仿生扑翼飞行机理的分析研究与技术发展
仿蝴蝶微型扑翼机飞行原理及扑翼机构研究（已处理）
仿蝴蝶微型扑翼机飞行原理及扑翼机构研究摘要微扑翼飞行器Flapping-wing micro aerial vehicles模仿鸟类或昆虫的飞行原理,具有体积小、重量轻、隐身性好等优点,被广泛使用到军用和民用领域。
本文以仿蝴蝶微型扑翼机为研究对象,首先分析凤蝶的飞行参数,在此基础上,建立了仿蝴蝶扑翼机的参数化模型,研究了仿蝴蝶扑翼机的流体和扑翼机构的运动特性。
(1)对凤蝶的扑翼飞行和微观形态进行了整理和分析,获得了凤蝶扑翼飞行的尺寸参数及运动参数,为仿蝴蝶扑翼机的数值建模和机构分析提供了数据参考。
(2)以流体仿真软件 FLUENT 为平台,采用参数化语言,建立了仿蝴蝶流体分析模型,针对解决流场的动边界这一难点,采用动网格技术,对翼型的流体动力学性能进行研究。
流体仿真结果表明:涡流是产生高升力的主要原因;在大翼展、低频率扑动前提下,扑翼幅值与产生的升力和推力成正比。
(3)以平面四杆机构为基础,用解析法设计了具有急回特性的扑翼机构,并以 solidworks 软件为平台,建立了扑翼机构的三维模型,进行了扑翼机构的运动仿真,将仿真结果与解析法设计的扑翼机构的运动特性进行比较,验证了解析法设计急回特性的扑翼机构的可行性和可靠性。
关键词:微扑翼飞行器,流体力学仿真,动网格技术,急回特性,运动仿真IAbstractFlapping-wing micro aerial vehicles mimic birds or insect flight principle, hasthe advantage of small volume, light weight, good stealth ability, etc., is widely usedin military and civil fields. Papilio is chosen to research the flapping wing flight andflight mechanism in this paper. The parametric language is used to constructedbutterfly wing model to carry on motion analysis and the design of theflapping-wing mechanism1 Researched and analyzed the flapping wing flight and micro-morphology ofthe papilio, obtained its dimension parameter and motion parameter,provided datareferences for the numerical modeling and mechanical modeling of the bionicornithopter 2The imitating butterfly fluid simulation mode is based on theparameterized modeling method on FLUENT software platform, to solve the flowfield of the moving boundary this problem, using the dynamic mesh technique,research on hydrodynamic performance of airfoil. Fluid simulation results show:eddy current is the main cause of high lift; in the large span, the low frequency,flutter premise, flapping amplitude is proportional to lift and thrust s generated3Based on the analytical method design the plane four-bar linkage, usingquick-return characteristics to design flapping-wing mechanism, and make motionanalyses. Established the three-dimensional model of the flapping wing, and mademotion simulation on solidworks software. The research results revealthat theflapping-wing mechanism motion analysis which is compared withthree-dimensional model simulated analysis is feasible and reliable Keyword: Flapping-wing micro aerial vehicles, fluid dynamics simulation,dynamic mesh, quick-return characteristics, motion simulationII南昌航空大学硕士学位论文目录目录摘要 IAbstract II第1章绪论11.1 引言.11.2 微型扑翼飞行器的研究现状及分析21.2.1 国外研究现状..31.2.2 国内研究现状..51.3 本文的研究目的及意义..71.3.1 微型扑翼飞行器的研究目的..71.3.2 拟解决的技术问题71.4 本文的内容安排..8第2章昆虫扑翼飞行原理及蝴蝶翅形态结构92.1 昆虫扑翼飞行原理.92.1.1 雷诺数..92.1.2 昆虫的飞行机理..102.1.3 蝴蝶的飞行机理..132.2 蝴蝶翅形态结构142.2.1 蝴蝶翅气动外形特质142.2.2 蝴蝶翅三维形状测量152.2.3 自由飞行时蝴蝶翅形态结构16 2.3 蝴蝶翅微观形态172.3.1 翅的表观结构182.3.2 翅的断面结构192.4 本章小结19第3章仿生扑翼模型的流场分析21 3.1 FLUENT软件简介..213.1.1 FLUENT软件求解步骤..21III南昌航空大学硕士学位论文目录3.1.2 求解控制方程223.2 翼型的流场数值计算.233.2.1 翼型建模及网格化.233.2.2 翼型的流场计算..243.3 翅翼拍动中流场的数值模拟.27 3.3.1 动网格技术.273.3.2 动态数值分析283.3.3 拍打振幅对扑翼运动的影响313.4 本章小结32第4章扑翼机构设计及建模分析334.1 扑翼机构的设计.334.1.1 扑翼机构总体设计要求..334.1.2 扑翼的实现方案..344.2 扑翼机构的运动尺度综合..354.2.1 扑翼机构方案确定.364.2.2 构件尺寸确定374.3 按解析法设计急回特性的扑翼机构..374.3.1 扑翼机构设计374.3.2 扑翼机构分析424.4 扑翼机构建模.464.4.1 零件三维建模464.4.2 零件装配与运动仿真474.5 本章小结49第5章结论与展望505.1 结论..505.2 展望..50参考文献..52攻读硕士学位期间发表的学术论文及参加的科研情况.56一、攻读硕士学位期间发表的论文..56二、攻读硕士学位期间参加的科研情况56致谢57IV南昌航空大学硕士学位论文第一章绪论第 1 章绪论1.1 引言微型扑翼飞行器Flapping-wing micro aerial vehicles以其优良的机动性、低噪音、低成本、携带方便、操作简单、可执行多种任务等功能,不论在军用还是民[1]用领域都具有十分重要、极其广泛的用途。
微扑翼飞行器的仿生结构研究
微扑翼飞行器的仿生结构研究近年来，随着科学技术的不断发展，人们对于仿生学的研究越来越深入。
仿生学是模仿自然生物的形态结构、功能及行为特性，将其应用于解决人类问题的学科。
微扑翼飞行器的仿生结构研究正是仿生学在飞行领域的典型应用之一微扑翼飞行器是指通过翅膀的上下振动来产生升力，并通过对翅膀的控制来完成飞行任务的机器人。
其特点是体积小、质量轻、操纵灵活，可以在狭小的空间中进行灵活的操作，具有很大的应用潜力。
然而，由于微扑翼飞行器的工作原理和结构相对复杂，研究者们需要从仿生学的角度来理解和优化其结构。
在微扑翼飞行器的仿生结构研究中，研究者们主要关注以下几个方面的问题。
首先是翅膀的形态结构。
翅膀是微扑翼飞行器产生升力的关键部件，其形态结构直接影响飞行器的性能。
研究者们通过分析自然界中蝴蝶、蜻蜓等昆虫的翅膀结构，发现其具有独特的纹理和曲线形态，并据此设计出了一系列具有类似形态结构的翅膀。
这些翅膀的形态结构能够降低空气阻力、增加升力，并且能够在不同的工况下实现自适应变形，提高微扑翼飞行器的飞行性能。
其次是翅膀的材料选择。
为了实现仿生结构的设计，研究者们选择了一些具有特殊性能的材料。
例如，由于微扑翼飞行器的要求轻巧，研究者们选择了一些轻质的材料，如石墨烯材料，具有高强度和低密度的特点，使得微扑翼飞行器能够在有限的能量下完成飞行任务。
此外，研究者们还尝试使用可变刚度材料，通过改变翅膀的刚度来调整飞行器的飞行姿态和性能。
最后是翅膀的控制方法。
微扑翼飞行器的控制方法需要考虑多个自由度的问题。
研究者们通过分析昆虫翅膀的运动规律，发现其运动受到肌肉和神经系统的控制。
因此，研究者们提出了一种基于人工神经网络的控制方法，可以模拟昆虫的飞行控制机制，实现对微扑翼飞行器的高灵敏度控制。
综上所述，微扑翼飞行器的仿生结构研究是一项具有挑战性的任务，研究者们通过分析自然界中昆虫的翅膀结构和运动规律，设计出了一系列具有类似结构的翅膀，并开发了相应的控制方法。
仿生扑翼飞行器的发展与展望
仿生扑翼飞行器的发展与展望仿生扑翼飞行器的发展与展望摘要：本文简要介绍了仿生扑翼飞行器的概念、特点及其历史，概述了仿生扑翼飞行器在国内外早期和当前的研究现状及未来的发展趋势。
在此基础上，就目前研究中迫切需要解决的一些关键技术进行了讨论，并结合目前研究情况，对我国仿生扑翼飞行器的未来发展前景进行了展望。
关键词仿生；扑翼飞行器；微型飞行器；关键技术Abstract：The concept，characteristics and usage of flapping-wing air vehicle are brieflyintroduced．The present research situation and future development trend of FA V are summarized．According to these，several key technologies of FA V are discussed．Taking into account the presentsituation .the future on the research of FA V in China is outlined．Key words：Bionics ; Flapping-wing air vehicle ; Micro air vehicle ; Key technology1仿生飞行的历史与进展1．1向鸟类学习在中国两千年以前的航空神话和传说中，就有“人要是长着翅膀，就能在空中飞行”、“人骑着某种神奇的动物，可以飞行”等反映古人飞行理想和愿望的文字记载。
多数昆虫长着一左一右两个或4个翅膀，他们都是飞行家，飞行技术非常高明。
但因为昆虫比较小，翅膀的运动速度太快，不易被观察，在古人眼里，只认为鸟类是可以模仿的、最好的飞行家。
传说中春秋时代(公元前770-前481)后期，鲁国著名的能工巧匠公输盘(有些史籍也记作“公输班”)研究并花费3年时间制造了能飞的木鸟，又名木鸢。
扑翼机器鸟的工作原理分析
扑翼机器鸟的工作原理分析
扑翼机器鸟是一种仿生机器人，其工作原理基于鸟类的飞行方式。
其主要原理包括空气动力学和机械动力学。
1. 空气动力学原理：
扑翼机器鸟利用空气动力学来产生升力和推力。
当机器鸟的翅膀向下扑动时，翼面形成了一个弯曲的形状。
这个曲线形状使得上翼面的气流速度增加，气压降低，而下翼面的气流速度减小，气压增加。
由于气压差异，产生了一个向上的升力，使机器鸟能够提升在空中飞行。
2. 机械动力学原理：
扑翼机器鸟由电机驱动翅膀实现扑动。
电机通过复杂的连杆机构将旋转运动转化为翅膀的上下运动。
机器鸟的翅膀采用类似鸟类翅膀的结构，具有灵活的翼爪和关节，在扑动过程中能够产生流线型的翼面形状来提高升力效果。
同时，机器鸟的尾部也具备可调节的舵板，通过调整尾部的位置和角度，能够使机器鸟更好地控制姿态和方向。
3. 控制系统：
扑翼机器鸟还包括一个复杂的控制系统，用于控制机器鸟的飞行。
该系统主要包括传感器、处理器和执行器。
传感器可以感知机器鸟的状态、环境和飞行参数，例如姿态、速度和气流等。
处理器通过对传感器数据的处理和算法运算，决策如何调整翅膀的扑动方式、调整尾部位置和角度等，以实现稳定的飞行。
执行器控制着翅膀和尾部的运动，根据控制指令实现相应的运动。
综上所述，扑翼机器鸟的工作原理基于空气动力学和机械动力学原理，通过复杂的控制系统实现对飞行状态的调节和控制。
扑翼飞行机器人的设计与飞行力测试研究
扑翼飞行机器人的设计与飞行力测试研究近年来，随着科技的不断发展，扑翼飞行机器人作为一种新型的飞行器，受到了越来越多的关注。
与传统的固定翼飞行器相比，扑翼飞行机器人模仿了自然界中鸟类和昆虫的飞行方式，具备更好的机动性和适应性。
本文将重点介绍扑翼飞行机器人的设计原理和飞行力测试研究。
首先，扑翼飞行机器人的设计原理主要受到了生物学的启发。
通过研究鸟类和昆虫的翅膀运动方式，科研人员发现，它们的翅膀在飞行过程中不仅向下挥动，还会向前拉伸和向上翘起。
基于这一发现，扑翼飞行机器人的设计者们开发出了一种能够模拟这种翅膀运动的机械结构，使得机器人能够更加灵活地飞行。
其次，针对扑翼飞行机器人的飞行力测试，科研人员们也进行了大量的研究。
他们首先通过数值仿真的方法，模拟了机器人在不同飞行速度下的气动特性。
然后，利用风洞实验对仿真结果进行了验证。
这些实验结果表明，扑翼飞行机器人的翅膀运动能够产生足够的升力和推力，使得机器人能够稳定地飞行。
此外，科研人员们还对扑翼飞行机器人的控制系统进行了研究。
他们发现，通过调节翅膀的挥动频率、挥动角度和挥动幅度等参数，可以实现机器人的姿态调整和飞行轨迹控制。
这些控制参数的优化研究，为扑翼飞行机器人的飞行性能提供了重要的理论基础。
总之，扑翼飞行机器人的设计与飞行力测试研究在科学界取得了不少进展。
通过仿生学原理的应用，科研人员们设计出了能够模仿鸟类和昆虫飞行方式的机械结构。
通过数值仿真和风洞实验，他们验证了扑翼飞行机器人的飞行能力。
此外，控制系统的研究也为机器人的飞行性能提供了可靠的支持。
相信在未来的日子里，扑翼飞行机器人将会迎来更加广阔的发展前景，为人类带来更多的惊喜和便利。
仿生扑翼机器人
达芬奇扑翼飞机设想图
后人根据设想图制作模型
一.背景引言
1929 年，德国人 Alexander Lippisch 成功制 造出了一架大型载人扑翼飞机
设计的人力模式扑翼飞机
设计的混合模式扑翼飞机
5
一.背景引言
1903 年莱特兄弟发明了世界上 第一架飞机——飞行者 I 号
螺旋桨飞机
喷气式飞机
6
一.背景引言
五.意义期望
扑翼飞行器的意义
军事
用于侦察，观测，电子干扰，目标追踪， 核生化取样，甚至防御和采取进攻。
民用
用于监测，摄影，搜救，巡视，测绘， 调查和搜查等。
娱乐
简单的低空飞行器可生产成玩具
谢谢大家！
飞行器的材料及翼型问题
仿生翼必须轻而坚固，保证在高频的振动下不会断裂，能够提供 足够的升力和推进力，具有很强的灵活性等。这就要求从材料和 翼型等方面进行分析。现如今已研究出在驱动结构设计中，使用 压电陶瓷和化学肌肉等智能材料。
四.问题突破
飞行控制和通信问题
目前比较有前景的控制方式是在微型飞行 器的表面分布微气囊和微型智能自适应机 构，通过微流动控制实现对微型飞行器的 飞行控制。此外，扑翼式飞行器在飞行过 程中往往要飞离操纵者，这就意味着飞行 器必须具备灵敏的通信系统，来传递和控 制飞行器。研制适合的 GPS 接收机和地 面匹配系统是目前较为前沿的通信方式。 随着电子和计算机技术的飞速发展，通信 系统将更加完善和进步。
南京航空航天大学的扑翼飞行机器人研究 团队深入研究了仿鸟复合扑动扑翼的气动 特性，并研制了了几种不同尺寸和布局形 式仿鸟扑翼机器人样机，于 2002 年试飞 成功，其技术指标已经达到美国 “Microbat”的水平。
仿生扑翼飞行器研究进展及现状概述
（ ＭＥ ＭＳ ’０ ０ ） ，Ｍｉ ｙ ａ ｚ ａ ｋ ｉ ，Ｊ ａ ｐ ａ ｎ，２ ０ ０ ０ （ １ ） ：７ ９ ９ — ８ ０ ４ ．
研制过程中的扑翼轨迹规划及驱动设计提供 客观依据 。
４ ． ５ 微 型扑 翼飞 行器 实现 智 能飞行 控 制
微型扑翼飞行器要实现智 能飞行 ，首先是对扑翼 飞行器 的 控制 ，微型扑翼 飞行 器在实 际飞行 过程 中会遇 到外力 的作用 ，
参
考
文
献
［ １ ］ 中昌富 ，姚磊 红 ，童 小燕 ，等． 仿鸽扑 翼飞行 的柔 性 变形研 究
例如阵风等于扰 ，这 时就需要有一定 的鲁棒性和抗干扰性 ，从 而保证 它能持续稳定 的飞行 ；其次微型扑翼 飞行器在飞行过程 中还得完成 一定 的姿态调整 ，例如平飞 、转弯 、侧飞 、俯仰甚 至 反转 等 ，要实现这 些姿态 ，就需要 控制系统来保 证。此外 ， 微 型扑翼 飞行器在 飞行过程 中可能要执行一些任务 ，需要按照 预定 的轨迹航行 ，这就需要它具有一定 的自主导航能力 ；在飞
行过程 中也有可能会遇到一些障碍物 ，需要通过一定的避障措
［ Ｊ ］ ．机械制造， ２ ０ １ ４ （ ５ ２ ） ：３ ７ — ４ ０ ．
［ ２ ］ 李长龙．仿 生扑翼飞行器机构 的设计与研 究［ Ｄ］ ． 南京：南京航空
航 天大学，２ ０ １ ３ ．
［ ３ ］顾明．微 型扑翼 飞行 器的研 究［ Ｄ］ ．合肥 ：中国科 学技 术 大学 ，
２ ０ １ ３ ．
仿生扑翼飞行器的研究现状及关键技术
１． 引言自古以来，人们就梦想着在天空自由翱翔，对鸟在滑翔状态下的研究使人类乘着飞机上了天。
但在一般情况下，昆虫和鸟类翅膀具有很大的机动灵活性，生物超强的飞行能力也引起了人们的极大兴趣，如昆虫利用其薄如蝉翼的翅膀高频振动，能够实现前飞、倒飞、侧飞及倒着降落等特技飞行。
对生物生理结构和飞行机理的研究为仿制出具有更大飞行灵活性的新型扑翼飞行器打下坚实基础。
随着对生物飞行机理的认识和微电子机械技术（ＭＥＭＳ）、空气动力学和新型材料等的快速发展，仿生扑翼飞行器在目前已成为一个新的研究热点。
由于其在军事和民用上均具有广泛的应用前景，许多国家都已在这方面进行了研究，如美国加州大学伯克利分校、日本东京大学等都已经在这个领域进行了深入的研究探索工作，国内的科学家们也开始了这方面的基础和应用研究工作。
本文主要介绍了仿生扑翼飞行器的特点和关键技术，以及其在国内外的研究现状，并进行了对比分析思考，提出了相应的见解。
１． 仿生扑翼飞行器的特点仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器。
该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，仿生扑翼飞行器的研究现状及关键技术o 周骥平 武立新 朱兴龙扬州大学机械工程学院［摘 要］ 本文简要介绍了仿生扑翼飞行器的概念、特点及其应用，概述了仿生扑翼飞行器在国内外早期和当前的研究现状及未来的发展趋势。
在此基础上，就目前研究中迫切需要解决的一些关键技术进行了讨论，并结合目前研究情况，对我国仿生扑翼飞行器的未来发展前景进行了展望。
［关键词］ 仿生；扑翼飞行器；微型飞行器；关键技术[Abstract] Ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔ， ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｕｓａｇｅ ｏｆ ｆｌａｐｐｉｎｇ－ｗｉｎｇ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ （ＦＡＶ） ａｒｅ ｂｒｉｅｆｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ＦＡＶ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅｓｅ， ｓｅｖｅｒａｌ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ＦＡＶ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔａｋｉｎｇ ｉｎｔｏ ａｃｃｏｕｎｔ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎ ， ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ＦＡＶ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｉｓ ｏｕｔｌｉｎｅｄ．[Keywords] Ｂｉｏｎｉｃｓ； Ｆｌａｐｐｉｎｇ－ｗｉｎｇ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ； Ｍｉｃｒｏ ａｉｒ ｖｅｈｉｃｌｅ； Ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［作者简介］周骥平（１９６０－），男，扬州大学机械工程学院院长，博士，教授，研究领域： 机电一体化，机械设计理论与方法等．＊基金项目：江苏省高校自然科学基金项目资助（０２ＫＪＤ４６００１０）综述２００４．６它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。
仿生扑翼飞行器的发展与展望
仿生扑翼飞行器的发展与展望
随着科技的进步，人类已经取得了仿生飞行器的突破性进展。
仿生飞行器的发展历史可以追溯到20世纪50年代，当时科学家们开始研究自然飞行器的结构和飞行技术，以及如何将这些特性应用于人类制造的机器。
他们的努力使得许多仿生飞行器得以发展，包括仿生飞机、仿生蝙蝠、仿生鸟类等等。
近年来，仿生扑翼飞行器也受到了广泛关注。
仿生扑翼飞行器是受鸟类飞行的启发而设计的飞行器，它以两只扑翼的形式与空气相互作用，使飞行器可以实现自由悬停、高速飞行等机动行为。
与飞机相比，仿生扑翼飞行器具有更低的噪声水平、低能耗、可折叠构造等优势，在近程无人机和远程视频拍摄应用等领域可能产生重要的影响。
目前，仿生扑翼飞行器的研究和发展仍处于起步阶段，其中值得研究的领域包括飞行器本体结构设计、动力系统选择、飞行控制系统的模拟、航迹预测与自动避障等。
例如，在飞行器结构设计方面，除了轻量化和结构优化外，还可以考虑主动式扑翼、可屈曲翅膀等与传统翅膀不同的设计方案，以便更好地控制飞行器的飞行行为。
扑翼飞行原理
扑翼飞行原理扑翼飞行是鸟类和昆虫等一些动物的独特能力，它们能够通过振动翅膀来产生升力，从而实现飞行。
这种飞行原理深受人类的好奇和研究，也为人类的飞行技术提供了一些启示。
在本文中，我们将深入探讨扑翼飞行的原理及其在自然界和人类技术中的应用。
首先，我们来了解一下扑翼飞行的基本原理。
扑翼飞行的关键在于产生升力。
鸟类和昆虫通过快速振动翅膀，将空气向下推，从而产生向上的升力。
这种升力的产生与翅膀的形状、大小和振动频率等因素密切相关。
通过不断调整翅膀的振动方式，这些动物能够实现高效的飞行，甚至在极端环境下也能保持稳定的飞行状态。
在自然界中，扑翼飞行的动物有着多样的形态和飞行方式。
鸟类的翅膀通常呈扇形，能够产生较大的升力，从而实现长时间的滑翔和飞行。
而昆虫的翅膀则呈薄膜状，通过快速振动产生高频率的升力，实现快速、灵活的飞行。
这些不同的飞行方式都为生物在不同环境中的生存和捕食提供了重要的帮助。
除了在自然界中的应用，扑翼飞行的原理也为人类的飞行技术提供了一些启示。
在过去的几个世纪中，人类不断探索飞行技术，最终实现了飞机的发明和飞行。
而在这一过程中，人们也从鸟类和昆虫的飞行方式中汲取了灵感。
例如，早期的飞机设计通常模仿鸟类的翅膀形状，试图通过振动翅膀来产生升力。
虽然这些尝试并没有取得成功，但它们为后来的飞机设计提供了一些宝贵的经验和启示。
随着科学技术的不断进步，人类的飞行技术也在不断发展。
如今，我们已经实现了多种类型的飞行器，包括直升机、无人机和喷气式飞机等。
这些飞行器的设计和原理都受到了扑翼飞行的影响，尽管它们的工作方式和原理与鸟类和昆虫有所不同，但它们都借鉴了扑翼飞行的一些基本特征，以实现更高效、更稳定的飞行。
总的来说，扑翼飞行是一种独特的飞行方式，它在自然界中有着广泛的应用，并为人类的飞行技术提供了一些启示。
通过深入研究扑翼飞行的原理，我们可以更好地理解自然界的奥秘，并为人类的科技发展提供一些新的思路和方向。
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徐州工程学院学报２００７年第４期膀各个部分的协调动作来产生有效的升力和前进力．
图１
鸟类内翼模型剖面图Ｆｉｇ．１Ｓｅｃｔｉｏｎｐｌａｎｅｏｆｉｎｎｅｒｗｉｎｇｍｏｄｅｌｏｆｂｉｒｄｓ
１．２昆虫飞行机理
昆虫的翅膀是类似的平面薄体结构，不能伸缩变形，不具滑翔能力，与鸟类的飞行相比有着本质的区别，只能通过高频振动和灵巧的扑翅运动产生足够升力．Ｗｏｏｔｏｎ认为昆虫飞行能力和飞行技巧的多样性大半来自于翅型多样性和微妙复杂的翅运动模式［１］．其翅膀在拍动过程中伴随着快速且多样性的运动，会产生不同于周围大气的局部不稳定气流，这种非定常空气动力学效应是研究和理解昆虫和小鸟飞行机理及其空气动力学特性进而实现仿生飞行的重要基础．随着对非定常流理论认识的加深，研究者们开始探讨非定常效应在昆虫飞行升力产生中发挥的重要作用，并采用非定常空气动力学理论解释昆虫飞行的机理．
分析表明，昆虫一个周期内的扑动大体可分解为四个阶段：翅膀在上扑至顶点时翅膀旋转、下扑、下扑至最低点时翅膀旋转、上扑，图２为蜂鸟悬停飞行时的扑翼轨迹．通过探索各个运动中所涉及到的空气动力学理论，可得到几种比较具有代表性的解释昆虫扑翼产生升力的机理．
图２蜂鸟扑翅过程
Ｆｉｇ．２Ｆｌａｐｐｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｗｏｏｄｎｙｍｐｈ
图３合拢与分开机制Ｆｉｇ．３Ｃｌａｐ—Ｆｌｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ１．２．１合拢与分开（Ｃｌａｐ－－Ｆｌｉｎｇ）
１９７３年，Ｗｅｉｓ—Ｆｏｇｈ通过观察小黄蜂生物资料，并在仔细研究了昆虫振翅飞行生物学资料的基础上，提出了拍飞（Ｃｌａｐ－－Ｆｌｉｎｇ）机理［２］．
拍飞机理可通过图３所示的模型来解释，两翅前缘在顶点处合拢，然后两翅逐渐旋转并从前缘处分开，这时两翅问夹角增大，空气流入两翅空隙中，随着两翅间夹角增大，空气流动使得翅周围形成两个旋转涡，翅表面很快形成环流．当两翅张开到一定角度时，两翅分开，各自平动，这时两翅表面各有一个边界涡，使得下拍开始时产生尽可能大的升力．该机理可以解释一部分小型昆虫产生大升力的原因，但不适用于所有昆虫，没能从根本上揭开昆虫高升力的奥秘，却促使人们真正开始用非定常效应来解释昆虫的飞行．
１．２．２延时失速（ＤｅｌａｙｅｄＳｔａｌｌ）
随着流体实验技术的完善，人们开始观察吊飞昆虫的翅尖轨迹及其翅膀周围的流场，发现在下拍过程中·２８·
端义霞，等：仿牛扑翼飞行机理的分析研究与技术发展
翅前缘产生分离的流场，称为前缘涡（ＬＥＶ），见图４．涡快速转动，造成翅上方低压，从而产生较大的升力；涡逐渐由前缘向后缘流去，升力就会迅速减小．
图４下拍过程中的前缘涡
Ｆｉｇ．４Ｌｅａｄｉｎｇ－－ｅｄｇｅ
ｖｏｒｔｅｘｅｓｐｒｏｄｕｃｅｄ图５上拍产生新的前缘涡Ｆｉｇ．５Ｎｅｗｌｅａｄｉｎｇ－－ｅｄｇｅｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｄｏｗｎｓｔｒｏｋｅｂｙｕｐｓｔｒｏｋｅ
如果前缘涡流出，失速现象将会发生．实际卜，在一个扑动周期结束前缘涡脱落时，下一周期翅膀旋转后上拍又将产生新的前缘涡，见图５．１９９６年，英国剑桥大学的Ｅｌｌｉｎｇｔｏｎ等通过对飞蛾动态比例模型的流体观察实验研究‘３“ｉ，发现翅前缘背面产生的前缘涡在昆虫翅膀下拍得整个平动过程中都不脱落，使高升力得以保持，从而揭示了延时失速（ＤｅｌａｙｅｄＳｔａｌｌ）机理．
１．２．３旋转环流（ＲｏｔａｔｉｏｎａｌＣｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）和尾流捕获（ＷａｋｅＣａｐｔｕｒｅ）
１９９９年，美国加州大学伯克利分校的Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ等为了能进一步解释昆虫产生大升力的机理，用果蝇翅的比例放大模型进行了实验研究口］，发现在翅上拍和下拍过程的开始时刻和结束时刻，分别有一个升力峰．这样，Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ将昆虫的翅拍动周期分为四个部分，两个平动部分（上拍和下拍）和两个转动部分（翅翻转），并认为昆虫飞行的高升力是通过“延迟失速”，“旋转环流”（Ｒｏｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）和“尾流捕获”（ｗａｋｅｃａｐｔｕｒｅ）三个机理相互作用获得的．“延迟失速”是翅平动时产生升力的机理，“旋转环流”和“尾流捕获”则是翅转动时产生升力的机理［５１：．
旋转环流产生升力的机制可用马格纳斯效应（Ｍａｇｎｕｓｅｆｆｅｃｔ）阐述．翅膀在流体中同时作平动和转动，将产生类似于棒球旋转的马格纳斯效应。
８ｊ．翅膀按图６所示方向平动和转动时，空气沿平动相反方向流过，翅膀上表面流速大于下表面，使得上部压强小于下部压强，翅膀产生向上的升力．
平动ｖ转动＋平动
图６
昆虫翅膀的旋转环流机制Ｆｉｇ．６Ｒｏｔａｔｉｏｎｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｉｎｓｅｃｔ’Ｓｆｌｙｉｎｇ
尾流捕获机理是由翅回拍造成的．翅在下拍或上拍的初始时刻，遇到了上个上拍或下拍结束时刻损失的能量形式，形成尾流，增大了翅与流体的相对速度．此时，尾流在瞬间增大了昆虫的升力，从而产生了一个升力峰‘…．
ＳｒｙｇｌｅｙＲＢＣｌ０］等还提出昆虫在飞行过程中。
并不是始终采用某一种或某几种机理，而是根据气流的状态和飞行的方式，采用不同的非定常机理来获得升力．
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仿生扑翼飞行机理的分析研究与技术发展
作者：端义霞， 周骥平， 朱兴龙， DUAN Yi-xia， ZHOU Ji-ping， ZHU Xing-long
作者单位：扬州大学,江苏,徐州,225009
刊名：
徐州工程学院学报
英文刊名：XUZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY
年，卷(期)：2007,22(4)
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本文链接：/Periodical_pczydxxb200704007.aspx。