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

阿拉斯加水鳥可以連續(xù)不停地飛行8天，飛行距離超過1萬公里。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20多年的研究，我們對(duì)鳥類的飛行機(jī)理有了一定了解，但是還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。有關(guān)鳥類飛行的奧秘，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。

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)。基于該數(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)鳥類飛行原理的探究，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)翼擁有鳥類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。

隨著研究越來越深入，該團(tuán)隊(duì)對(duì)鳥類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”“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”參考鳥類的解剖學(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)與大自然的鳥類更為“神似”……

在宋筆鋒看來，不管是對(duì)鳥類飛行機(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，由于研究鳥的飛行機(jī)理的工具欠缺，導(dǎo)致研究不充分。例如，人類對(duì)鳥類各種撲動(dòng)動(dòng)作的相位時(shí)序機(jī)理還沒有完全搞清，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類的外形，更是其形態(tài)。因此，我們要更了解鳥類運(yùn)動(dòng)規(guī)律背后的科學(xué)原理。只有通過深挖其機(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。”宋筆鋒說，“我們將面向科技前沿和國(guó)家需求繼續(xù)勇毅前行，深入開展鳥類飛行機(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)。”

■ 從“能飛”到“有用”，和“信鴿”一起成長(zhǎng)

“對(duì)鳥類的飛行機(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)際問題，成為推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步的力量。”該團(tuán)隊(duì)青年教師楊曉君表示。

從2008年開始，仿生飛行器研究團(tuán)隊(duì)在持續(xù)開展鳥類飛行機(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)開展仿生飛行器科學(xué)研究的根基。閉門造車是做不出好研究的，我們只有去一線摸爬滾打，才能找到真問題，才能讓研究成果真正發(fā)揮價(jià)值。”楊曉君說。

“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？”……來自應(yīng)用一線的一個(gè)個(gè)問題，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。“當(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)。”柳柳介紹，比如實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)“信鴿”爬升慢的問題影響著任務(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，把實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的問題變成科學(xué)問題，努力去攻克、去解決。在這個(gè)過程中，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。”孟瑞說。

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，一起解決飛行過程中遇到的問題，討論改進(jìn)方案。”楊曉君介紹，在不斷改進(jìn)的過程中，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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