飛行器翼型的仿生設計進展研究

羅 昕 史 進

（1.浙江大學，浙江杭州 310030；2.上實劍橋教育集團，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翼、導彈翼面、尾翼、直升機旋翼葉片和螺旋槳葉片上平行于飛行器對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下，機翼是飛行器承受升力的主要部件，機翼上下表面氣流的速度不同從而導致壓力不同，形成飛行器的升力。現代翼型往往會采取仿生設計，這是因為不同鳥類的翼型是在不同飛行條件下演化出來的最優翼型，所以模仿和借鑒特定的鳥類翼型飛行模式和特征結構對于飛行器的翼型設計具有重要意義。

研究者通過提取動物身體部位的特征對于翼型進行仿生，給翼型帶來不同程度的增幅。對鳥類生物翼型的橫截面進行對比，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 點云掃描的技術掃描海鷗、秋沙鴨、水鴨和長耳鸮的翼型，使用逆向重構的方法得到不同截面的翅膀形狀，從而獲得仿生翼型。長耳鸮、海鷗、水鴨和雀鷹翅膀的40%截面位置處的翼型氣動性能表現優異。所以，吳立明[2]等提取這4 種鳥類翅膀40%截面位置處的翼型型線進行重構，獲得仿生翼型。仿海鷗翼型的動態升力系數所形成的遲滯環最小、穩定性最好。同時仿海鷗翼型的動態升力系數峰值(Clmax=1.94) 較高和阻力系數峰值(Cdmax=0.25)較低，這種翼型適用于高效、穩定的飛行器設計。李典[3]基于仿生逆向重構方法對于擁有靜音飛行特性的長耳鸮翅膀進行了擬合實驗，最終得到了仿長耳鸮翅膀的三維葉片模型。其團隊采用大渦模擬方法對仿鸮翼型葉片流動進行了數值模擬，研究了2種不同的雷諾數(Re=16000 和Re=70000)和攻角不同時的鸮翼仿生葉片的流場結構。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。其團隊分析了翼型的氣動性能，與標準NACA4412 做比較，離翼根 50%的翼型擁有最優越的氣動性能，升力提高了35.4%。因為座頭鯨前緣突起的肢狀胸鰭在回轉時提供了強大的動力，王國付[5]模仿座頭鯨胸鰭特征針對NACA634－021 翼型作為基形，在0°～90°的攻角，采用H分量測為天平和粒子圖像測速儀在直流風洞里分別測量升力、阻力、俯仰力矩等翼型氣動特性和流速、渴量、邊界層等流場特性，其實驗結果表明，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。根據上述研究，可以看出仿生翼有利于飛行器性能的提升，對于翼型設計具有重大意義。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用機遇、技術手段、仿生翼的運用和優點、不同生物仿生翼型的特征，整理分析前人的經驗，并寫出未來展望和探索的思路。

1 仿生翼型的起源

早在1500 年文藝復興時期，達· 芬奇撰寫了一份手稿，繪制了形似鳥類飛行的撲翼飛行器。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。在1804 年，這架模型擁有固定機翼與可用于調整的水平和垂直尾翼。Cayley 在對飛行器不斷探索的過程中，得出了機翼升力是由于上表面的低壓和下表面的高壓產生的壓力差而形成的，所以相對于平板飛行翼來說，在飛行方向上傾斜一定角度會產生一定的升力，而彎曲的表面使得最終的效果會更好。他發現飛行器的設計可以改用不同裝置去實現升力和推力，相較于單純模仿鳥類的飛行動作而言，這會使得飛行容易得多。這一重要發現奠定了固定機翼形式飛機的基本構思和理論基礎。達·芬奇設計的手稿如圖1 所示。

圖1 喬治凱利設計的滑翔機草圖[7]

H.F. Phillips 在1884 年通過風洞實驗設計出具有一定厚度和彎度的翼型，圖2 是韓忠華[9]等總結出來的，前6 個為1884 年發明，第7 個為1891 年被H.F. Phillips 發明。之后，萊特兄弟自建風洞，測試了200 多種不同的翼型，奠定了人類歷史上第一次成功飛行的基礎，但是他們的翼型設計思想還局限于大彎度薄翼型。

圖2 H.F. Phillips設計的翼型[8]（NO.1～NO.6在1884年發明，NO.7在1891年設計）

2 仿生翼的研究

仿生學主要探究的是生物自身的優異性能產生的機理，再抽象成數學模型，最后運用到實際項目中。飛行器在飛行過程中會經歷各種不同的極端環境，而鳥類翼型在應對相似環境時具有優勢。這些生物在長期的進化中，對于不同環境具有一定的適應性。有些鳥類可以運用空氣氣流進行高效飛行，例如，信天翁貼著海面飛行可以長時間不展翅，從而節省自身體力。正是這些行為為仿生翼型的高效低能耗帶來了思考。海鷗滑翔時飛行速度僅19km/h，是滑翔速度最慢的鳥類，它可以巧妙地利用氣流慢慢滑翔，只要有一點上升氣流，就足以托住它，這是海鷗所具備的本領。吳立明[10]對仿海鷗翼型的動態失速特性進行實驗，發現在Re=2.0×10～5 工況下，仿海鷗翼型的平穩性最好。

研究者對鳥類翼型仿生的目的是提取其高效和低能耗的特點。大多研究者通過拍攝自然死亡鳥類翅膀照片或用高速攝像頭拍攝正在運動的鳥類翅膀進行比對分析，提取鳥類翼型特征，比對不同鳥類翼型的數據。有些生物具有良好的氣動性能，所以可以被用于仿生。例如，王星[11]以長耳鸮翼型為仿生基礎，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，運用B 樣條曲線完成擬合，建立鸮翼仿生重構模型。然后使用了一種名為數值求解耦Langtry-Menter SST 模型的雷諾時均 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，從而得知這些因素對于翼型升阻比的影響，得到一種可以控制大攻角下流動分離發生的仿生翼型。除了鳥類，研究者發現，魚類的生理結構被用于仿生翼同樣具有高效的特點。例如，余超[12]以鱘魚為研究對象,使用高精度的三維逆向掃描技術提取鱘魚的特征,以鱘魚的外形曲線為基礎設立無量綱化的點坐標系,采取最小二乘法將多次掃描數據進行擬合實驗,構建了一種基于鱘魚的仿生翼型。采用數值模擬的方式對鱘魚仿生翼型的壓力分布、翼尖渦流、升阻特性進行了分析。最終借助大渦模擬(LES)對翼型的前緣骨線做了一些優化，在此基礎上，借助高速攝像技術對優化后的仿生翼型在不同攻角下的空化特性及單個周期內的空化發展過程進行了實驗研究。研究者發現座頭鯨的非光滑表面可以在流動運動的過程中減小阻力。例如，張照煌[13]發現座頭鯨胸鰭的凸凹前緣可以改變胸鰭上流體的流動狀態，從而減小阻力，展現這一優秀的力學特性。因此，對于座頭鯨胸鰭的仿生在流動控制方面有著極大的研究價值。

3 仿生翼的運用

仿生翼型可以被用于多領域的飛行器上，例如仿生撲翼飛行機器人[14]。老式的固定翼和旋翼機器人的飛行模式對于適應環境的復雜性和多樣性是遠遠不夠的，所以我們采用撲翼飛行器，這是一種飛行姿態模仿鳥類和昆蟲的飛行器，基于仿生學設計的撲翼飛行器。撲翼飛行器擁有更大的機動靈活性，可以根據環境變化適當調整，飛行費用比較低廉，是執行任務的良好選擇。仿生撲翼飛行器尺寸較小、隱蔽性好，在軍事和經濟領域具有巨大的應用前景。對于軍用，它可以在一段時間內無能源補充執行遠距離飛行任務、探測生化區、在災區進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]是一種飛行姿態神似鳥類或昆蟲飛行的飛行器，在技術層面上它超越了傳統的飛機設計和氣動力的研究范疇。它還同時開創了微機電系統技術(MEMS)用于航空領域的先例，它是一種設計和制造具有良好動力學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，擁有很強的功能性。例如，它可以用于低空偵察、目標查找、通信中繼、幫助公安部門緝毒、邊境巡邏等。

雖然微撲翼飛行器的功能強大，但是在對它的設計研究中牽扯到許多技術問題。如，對于撲翼飛行的非定常空氣動力機理研究，研究飛行器如何利用非定常流和漩渦去達到高升力和大推力。研究者建立氣動力計算的數學模型，探究出在低雷諾數非定常氣動數值的數值模擬方法，總結出氣動力規律和設計方案。

4 結語

梳理和總結仿生翼型的歷史和仿生技術的應用情況，主要是模仿動物的優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翼型進行優化，不具備根據環境的改變進行自我調節的能力。可以將翼型拆分成不同部分汲取不同的鳥類特征進行仿生，從而去提升氣動性能，降低能耗。但是通過什么方法把不同部分的零件承接起來以及多特性耦合仿生怎么實現，有待進一步研究。