正在試飛的仿生飛行器。 西北工業(yè)大學(xué)供圖

西北工業(yè)大學(xué)仿生飛行器研究團(tuán)隊(duì)。 西北工業(yè)大學(xué)供圖

西北工業(yè)大學(xué)仿生飛行器研究取得新突破——

2023年9月22日上午8時(shí)54分12秒，“信鴿”仿生飛行器在西北工業(yè)大學(xué)長(zhǎng)安校區(qū)扇動(dòng)翅膀，輕盈起飛?！靶砒潯痹诳罩袝r(shí)而振翼疾飛，時(shí)而盤(pán)旋，時(shí)而隨風(fēng)滑翔。

11時(shí)59分42秒，“信鴿”順利滑翔降落——3小時(shí)5分30秒的續(xù)航時(shí)間，刷新了撲翼式無(wú)人機(jī)單次充電飛行時(shí)間的吉尼斯世界紀(jì)錄。2022年11月15日，西北工業(yè)大學(xué)仿生飛行器研究團(tuán)隊(duì)研制的“云鸮”仿生飛行器以2小時(shí)34分38秒的續(xù)航時(shí)間創(chuàng)造了撲翼式無(wú)人機(jī)單次充電飛行時(shí)間的吉尼斯世界紀(jì)錄。

“與‘云鸮’相比，‘信鴿’不僅僅續(xù)航時(shí)間延長(zhǎng)，機(jī)身也更小，更重要的是起飛重量只有260克，約為‘云鸮’的四分之一，是仿生飛行器在技術(shù)上的一次飛躍。”該團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家宋筆鋒介紹。

技術(shù)飛躍的背后，是該團(tuán)隊(duì)20余載“從0到1”，在仿生飛行器研究領(lǐng)域的不懈攀登。

■ “從0到1”，“信鴿”飛上藍(lán)天

自古以來(lái)，自然界就是人類(lèi)各種技術(shù)思想、工程原理、重大發(fā)明的源泉。伴隨著微電子技術(shù)和微機(jī)電技術(shù)的突飛猛進(jìn)，鳥(niǎo)類(lèi)的飛行機(jī)理和相關(guān)仿生技術(shù)成為各國(guó)科學(xué)家爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。世界航空強(qiáng)國(guó)也都將仿生飛行技術(shù)列入了重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。

2001年，宋筆鋒帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)始了仿生飛行器的探索研究。

盡管飛機(jī)的誕生已有百余年，但人類(lèi)對(duì)鳥(niǎo)的飛行還是知之甚少，幾乎沒(méi)有文獻(xiàn)可供查閱，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，研究過(guò)程非常艱難。

鳥(niǎo)類(lèi)為何能擁有強(qiáng)大的飛行能力？從觀察鳥(niǎo)的飛行、記錄鳥(niǎo)類(lèi)飛行姿態(tài)，到通過(guò)開(kāi)展仿真分析和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，宋筆鋒帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一點(diǎn)點(diǎn)探索鳥(niǎo)類(lèi)高效飛行的秘訣。

“人造飛行器主要靠翼與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生升力，推力主要靠以發(fā)動(dòng)機(jī)為主的動(dòng)力系統(tǒng)產(chǎn)生。鳥(niǎo)翼?yè)鋭?dòng)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生升力和推力。鳥(niǎo)類(lèi)飛行時(shí)，鳥(niǎo)翼能夠上下?lián)]舞、弦向扭轉(zhuǎn)、前后掃掠、展向折疊，可以通過(guò)小翼羽、翼梢開(kāi)縫、前后緣鋸齒等進(jìn)行流動(dòng)控制，其機(jī)理更復(fù)雜?！?0月27日，仿生飛行器研究團(tuán)隊(duì)骨干教師薛棟介紹，“自然界中，影響鳥(niǎo)類(lèi)飛行的因素很多。針對(duì)每一個(gè)影響因素的研究，都要?dú)v經(jīng)上百次的迭代模擬?！?/p>

沒(méi)有任何捷徑可以走，唯有反復(fù)試錯(cuò)、不斷摸索。

薛棟介紹，當(dāng)“信鴿”的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定以后，為了給它選擇合適的機(jī)翼材料，團(tuán)隊(duì)試遍了市面上幾乎所有能用的材料，光保鮮膜、雨傘布就買(mǎi)了十幾種。

“信鴿”起飛之初，曾經(jīng)有一個(gè)問(wèn)題困擾了團(tuán)隊(duì)很長(zhǎng)時(shí)間?！懊慨?dāng)它撲動(dòng)雙翼，機(jī)身就抖個(gè)不停，調(diào)試了無(wú)數(shù)次，都找不出原因。最后我們無(wú)意間發(fā)現(xiàn)，用來(lái)制造‘信鴿’雙翼骨架的碳桿雖然出自同一廠家，但卻是不同批次的產(chǎn)品?！毖澔貞?，“極其微小的差別都會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼受力的不均勻，從而影響起飛。從那以后，我們每做完機(jī)翼，都要對(duì)其進(jìn)行受力測(cè)試。”

這些看似工程上的問(wèn)題，背后的科學(xué)原理到底是什么？

面對(duì)仿生飛行器研制中的一系列問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)更加堅(jiān)定地把重點(diǎn)放在探索鳥(niǎo)類(lèi)的飛行機(jī)理的基礎(chǔ)研究上?！盎A(chǔ)研究是整個(gè)科學(xué)體系的源頭，是所有技術(shù)問(wèn)題的‘總機(jī)關(guān)’。要研制出性能優(yōu)越的仿生飛行器，首先就得搞清楚鳥(niǎo)類(lèi)是怎么飛行的。”宋筆鋒表示。

在一次次的摸索和試驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)逐漸找到了鳥(niǎo)類(lèi)翅膀結(jié)構(gòu)、撲動(dòng)方式與飛行性能的關(guān)系，仿生飛行器設(shè)計(jì)中的撲動(dòng)翼、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)隨之一點(diǎn)點(diǎn)突破。

在經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次失敗后，“信鴿”終于飛上藍(lán)天。

“從2001年到2007年，我們解決了仿生飛行器能飛起來(lái)的問(wèn)題。那時(shí)候，‘信鴿’只能飛行5分鐘，但是我們對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)飛行機(jī)理有了更多的認(rèn)識(shí)，并堅(jiān)定了把基礎(chǔ)研究放在最核心位置的科研路徑。這為之后的研究奠定了很好的基礎(chǔ)。”薛棟表示。

■ 從“形似”到“形神兼?zhèn)洹保蛭磥?lái)翱翔

鳥(niǎo)兒的飛行能力驚人，飛行姿態(tài)獨(dú)具魅力，飛行方式千變?nèi)f化——

阿拉斯加水鳥(niǎo)可以連續(xù)不停地飛行8天，飛行距離超過(guò)1萬(wàn)公里。信天翁可以連續(xù)6天不扇動(dòng)翅膀，利用海面上方的風(fēng)力獲得動(dòng)能。蜂鳥(niǎo)擁有超高的飛行技術(shù)，不但可以上下飛、左右飛、前后飛，還可以在一個(gè)位置懸停很久……

“經(jīng)過(guò)20多年的研究，我們對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)的飛行機(jī)理有了一定了解，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。有關(guān)鳥(niǎo)類(lèi)飛行的奧秘，還有很多等待我們?nèi)ヌ剿鳌Ｖ挥羞@樣，我們的仿生飛行器才能從‘形似’到‘形神兼?zhèn)洹??！彼喂P鋒說(shuō)。

工欲善其事，必先利其器。在長(zhǎng)期的數(shù)值仿真研究中，仿生飛行器研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了適合仿生柔性翼的低雷諾數(shù)氣動(dòng)力的高精度流固耦合數(shù)值仿真系統(tǒng)?；谠摂?shù)值仿真系統(tǒng)，研究人員能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和提高飛行器的性能和安全性。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)發(fā)展優(yōu)化的特種風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能模擬三維復(fù)合撲動(dòng)、俯仰、沉浮運(yùn)動(dòng)及結(jié)構(gòu)相對(duì)大變形等真實(shí)飛行形態(tài)，且能實(shí)時(shí)同步精確測(cè)量柔性翼瞬時(shí)變形和氣動(dòng)力。這些都成為仿生飛行技術(shù)研究的“利器”。

基于對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)飛行原理的探究，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出的仿生翼型能夠明顯地提高仿生撲動(dòng)翼的氣動(dòng)性能。據(jù)了解，這種仿生柔性撲動(dòng)翼?yè)碛续B(niǎo)類(lèi)翅膀截面的幾何外形特征，實(shí)驗(yàn)證明其具有明顯的高升力、低阻力氣動(dòng)性能。仿生柔性撲動(dòng)翼的研制成功，使仿生飛行器從“形似”到“形神兼?zhèn)洹庇诌~出一大步。

隨著研究越來(lái)越深入，該團(tuán)隊(duì)對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)如何高效飛行有了更深的理解，并由此突破了仿生飛行器設(shè)計(jì)中撲動(dòng)翼、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，在“信鴿”的基礎(chǔ)上，研制了“云鸮”“小隼”“蜂鳥(niǎo)”“信天翁”等不同特點(diǎn)的仿生飛行器。

“云鸮”采用了高升力大推力柔性撲動(dòng)翼設(shè)計(jì)、高效仿生驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和微型飛控導(dǎo)航一體化集成等關(guān)鍵技術(shù)。

“小隼”參考鳥(niǎo)類(lèi)的解剖學(xué)特征與飛行動(dòng)作進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性與敏捷性，其飛行姿態(tài)與大自然的鳥(niǎo)類(lèi)更為“神似”……

在宋筆鋒看來(lái)，不管是對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)飛行機(jī)理的探究還是仿生飛行器的研制，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還有很多事情等待團(tuán)隊(duì)科研人員持續(xù)接力、協(xié)同攻關(guān)。

在基礎(chǔ)研究層面，由于研究鳥(niǎo)的飛行機(jī)理的工具欠缺，導(dǎo)致研究不充分。例如，人類(lèi)對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)各種撲動(dòng)動(dòng)作的相位時(shí)序機(jī)理還沒(méi)有完全搞清，需要發(fā)展和應(yīng)用更高精度的氣動(dòng)仿真和試驗(yàn)技術(shù)等。在應(yīng)用研究方面，急需發(fā)展高效率的撲動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)、超輕量化低功耗飛控導(dǎo)航系統(tǒng)、輕量化低功耗導(dǎo)航與避障技術(shù)以及微載荷與應(yīng)用系統(tǒng)研究，從而使仿生飛行器能夠擁有更強(qiáng)大的功能，真正走向應(yīng)用。

“仿生飛行器仿的不僅僅是鳥(niǎo)類(lèi)的外形，更是其形態(tài)。因此，我們要更了解鳥(niǎo)類(lèi)運(yùn)動(dòng)規(guī)律背后的科學(xué)原理。只有通過(guò)深挖其機(jī)理，進(jìn)而指導(dǎo)仿生設(shè)計(jì)，才能實(shí)現(xiàn)從‘形似’向著‘形神兼?zhèn)洹M(jìn)步?！彼喂P鋒說(shuō)，“我們將面向科技前沿和國(guó)家需求繼續(xù)勇毅前行，深入開(kāi)展鳥(niǎo)類(lèi)飛行機(jī)理研究，研制更加高效的仿生飛行器，推動(dòng)仿生飛行器在更多領(lǐng)域的應(yīng)用，為國(guó)家和社會(huì)作出更多貢獻(xiàn)?！?/p>

■ 從“能飛”到“有用”，和“信鴿”一起成長(zhǎng)

“對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)的飛行機(jī)理有了一些認(rèn)識(shí)，研制出的仿生飛行器可以飛上藍(lán)天，從科研角度講，我們已經(jīng)取得了很不錯(cuò)的成績(jī)。但是，只能飛行5分鐘的仿生飛行器能干什么？我們希望這些研究能夠解決實(shí)際問(wèn)題，成為推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的力量?！痹搱F(tuán)隊(duì)青年教師楊曉君表示。

從2008年開(kāi)始，仿生飛行器研究團(tuán)隊(duì)在持續(xù)開(kāi)展鳥(niǎo)類(lèi)飛行機(jī)理研究的同時(shí)，把重心放在提高仿生飛行器的性能上，希望能讓它“有用”。

應(yīng)用場(chǎng)景的演練是“信鴿”飛行最好的訓(xùn)練場(chǎng)。

“現(xiàn)實(shí)需求是團(tuán)隊(duì)開(kāi)展仿生飛行器科學(xué)研究的根基。閉門(mén)造車(chē)是做不出好研究的，我們只有去一線摸爬滾打，才能找到真問(wèn)題，才能讓研究成果真正發(fā)揮價(jià)值。”楊曉君說(shuō)。

“續(xù)航時(shí)間能不能再長(zhǎng)一點(diǎn)？”“載荷能力能不能再大一點(diǎn)？”“這個(gè)飛行器能抗幾級(jí)風(fēng)？能不能抗6級(jí)風(fēng)？”“這個(gè)飛行器能在低溫下飛行嗎？”……來(lái)自應(yīng)用一線的一個(gè)個(gè)問(wèn)題，在實(shí)驗(yàn)室就成為一個(gè)個(gè)必須要解決的科學(xué)難題，成為一項(xiàng)項(xiàng)研究課題，成為一個(gè)個(gè)研究方向。

“信鴿”仿生飛行器學(xué)生總師、博士生柳柳參與一項(xiàng)試點(diǎn)應(yīng)用任務(wù)，連續(xù)8個(gè)月扎根一線，輾轉(zhuǎn)廣東、江蘇、湖南、新疆等多地?！爱?dāng)飛行器真正面向任務(wù)需求時(shí)，復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、變化的任務(wù)要求、陌生的任務(wù)地域，都是對(duì)研究人員和研制成果的挑戰(zhàn)與考驗(yàn)?！绷榻B，比如實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)“信鴿”爬升慢的問(wèn)題影響著任務(wù)的效率，課題組把撲動(dòng)翼結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化列為一項(xiàng)研究課題。通過(guò)多輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)，飛行器的爬升性能增強(qiáng)了，能夠快速到達(dá)指定高度。

“云鸮”仿生飛行器學(xué)生負(fù)責(zé)人、博士生孟瑞多次帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)參與演習(xí)演示活動(dòng)。在高原地區(qū)的試飛過(guò)程中，由于強(qiáng)風(fēng)影響，“云鸮”難以按照預(yù)設(shè)航線飛行，甚至出現(xiàn)失速墜落的情況。之后，團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入研究撲動(dòng)翼的差動(dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)了滾轉(zhuǎn)操縱，提升了強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的操縱性能。“將現(xiàn)實(shí)需求和自己的研究課題結(jié)合起來(lái)，把實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題變成科學(xué)問(wèn)題，努力去攻克、去解決。在這個(gè)過(guò)程中，自己得以快速成長(zhǎng)，也對(duì)科學(xué)研究有了更深刻的理解?！泵先鹫f(shuō)。

仿生飛行器研究涉及飛行器設(shè)計(jì)、空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、飛行控制、通信導(dǎo)航、任務(wù)載荷設(shè)計(jì)、能源動(dòng)力系統(tǒng)匹配等多個(gè)學(xué)科專(zhuān)業(yè)。從概念提出到初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)，再到地面實(shí)驗(yàn)和飛行測(cè)試，全流程和大飛機(jī)設(shè)計(jì)幾乎相同。

“每一型號(hào)仿生飛行器的研制，團(tuán)隊(duì)都任命教師總師和學(xué)生總師。每一次外場(chǎng)測(cè)試時(shí)，負(fù)責(zé)總體、撲動(dòng)翼、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同學(xué)都會(huì)參與進(jìn)來(lái)，一起解決飛行過(guò)程中遇到的問(wèn)題，討論改進(jìn)方案?！睏顣跃榻B，在不斷改進(jìn)的過(guò)程中，飛行器的性能得到了提升，團(tuán)隊(duì)成員也積累了豐富的飛行器研制經(jīng)驗(yàn)。

據(jù)了解，仿生飛行器研究團(tuán)隊(duì)的研究生畢業(yè)后，大都入職我國(guó)航空航天領(lǐng)域的企事業(yè)單位。他們中有的從事新一代戰(zhàn)斗機(jī)、大型運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)，有的從事C919大型客機(jī)設(shè)計(jì)，還有的從事神舟載人飛船系統(tǒng)、天舟系列貨運(yùn)飛船設(shè)計(jì)。（記者 張梅）

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