飞行器翼型的仿生设计进展研究

罗 昕 史 进

（1.浙江大学，浙江杭州 310030；2.上实剑桥教育集团，上海 200120）

0 引言

翼型是飞行器的基本组成单元，也是飞行器的核心。翼型是指飞行器的机翼、导弹翼面、尾翼、直升机旋翼叶片和螺旋桨叶片上平行于飞行器对称面或垂直于前缘的切面形状。在飞行器不同情况的飞行状态下，机翼是飞行器承受升力的主要部件，机翼上下表面气流的速度不同从而导致压力不同，形成飞行器的升力。现代翼型往往会采取仿生设计，这是因为不同鸟类的翼型是在不同飞行条件下演化出来的最优翼型，所以模仿和借鉴特定的鸟类翼型飞行模式和特征结构对于飞行器的翼型设计具有重要意义。

研究者通过提取动物身体部位的特征对于翼型进行仿生，给翼型带来不同程度的增幅。对鸟类生物翼型的横截面进行对比，提取有助于改善飞行性能的翼型特征，从而使得飞行器具有更好的升力特性或者更加平缓的失速特性。例如，Liu[1]等使用了3D 点云扫描的技术扫描海鸥、秋沙鸭、水鸭和长耳鸮的翼型，使用逆向重构的方法得到不同截面的翅膀形状，从而获得仿生翼型。长耳鸮、海鸥、水鸭和雀鹰翅膀的40%截面位置处的翼型气动性能表现优异。所以，吴立明[2]等提取这4 种鸟类翅膀40%截面位置处的翼型型线进行重构，获得仿生翼型。仿海鸥翼型的动态升力系数所形成的迟滞环最小、稳定性最好。同时仿海鸥翼型的动态升力系数峰值(Clmax=1.94) 较高和阻力系数峰值(Cdmax=0.25)较低，这种翼型适用于高效、稳定的飞行器设计。李典[3]基于仿生逆向重构方法对于拥有静音飞行特性的长耳鸮翅膀进行了拟合实验，最终得到了仿长耳鸮翅膀的三维叶片模型。其团队采用大涡模拟方法对仿鸮翼型叶片流动进行了数值模拟，研究了2种不同的雷诺数(Re=16000 和Re=70000)和攻角不同时的鸮翼仿生叶片的流场结构。华欣[4]在海鸥翅翼距翼根的20%、30%、40%、50%和 60%位置处分别截取海鸥翅翼的剖面，使用最小二乘法建立了翼型的曲线方程。其团队分析了翼型的气动性能，与标准NACA4412 做比较，离翼根 50%的翼型拥有最优越的气动性能，升力提高了35.4%。因为座头鲸前缘突起的肢状胸鳍在回转时提供了强大的动力，王国付[5]模仿座头鲸胸鳍特征针对NACA634－021 翼型作为基形，在0°～90°的攻角，采用H分量测为天平和粒子图像测速仪在直流风洞里分别测量升力、阻力、俯仰力矩等翼型气动特性和流速、渴量、边界层等流场特性，其实验结果表明，与光滑翼段相比，凹凸前缘翼段的失速特性更为平缓。

通过以上研究可以得知，模拟自然界生物的翼型或部位特征，可以使其失速特性更加平缓。例如，王国付模仿座头鲸胸鳍，做出凹凸前缘，使得失速特性更加平缓。根据上述研究，可以看出仿生翼有利于飞行器性能的提升，对于翼型设计具有重大意义。本文基于仿生翼型，论述仿生翼型的起源继而衍生至仿生翼的应用机遇、技术手段、仿生翼的运用和优点、不同生物仿生翼型的特征，整理分析前人的经验，并写出未来展望和探索的思路。

1 仿生翼型的起源

早在1500 年文艺复兴时期，达· 芬奇撰写了一份手稿，绘制了形似鸟类飞行的扑翼飞行器。1799 年 Cayley[6]提出了固定翼飞行器的概念，他制作了第一架可以使用的模型滑翔机。在1804 年，这架模型拥有固定机翼与可用于调整的水平和垂直尾翼。Cayley 在对飞行器不断探索的过程中，得出了机翼升力是由于上表面的低压和下表面的高压产生的压力差而形成的，所以相对于平板飞行翼来说，在飞行方向上倾斜一定角度会产生一定的升力，而弯曲的表面使得最终的效果会更好。他发现飞行器的设计可以改用不同装置去实现升力和推力，相较于单纯模仿鸟类的飞行动作而言，这会使得飞行容易得多。这一重要发现奠定了固定机翼形式飞机的基本构思和理论基础。达·芬奇设计的手稿如图1 所示。

图1 乔治凯利设计的滑翔机草图[7]

H.F. Phillips 在1884 年通过风洞实验设计出具有一定厚度和弯度的翼型，图2 是韩忠华[9]等总结出来的，前6 个为1884 年发明，第7 个为1891 年被H.F. Phillips 发明。之后，莱特兄弟自建风洞，测试了200 多种不同的翼型，奠定了人类历史上第一次成功飞行的基础，但是他们的翼型设计思想还局限于大弯度薄翼型。

图2 H.F. Phillips设计的翼型[8]（NO.1～NO.6在1884年发明，NO.7在1891年设计）

2 仿生翼的研究

仿生学主要探究的是生物自身的优异性能产生的机理，再抽象成数学模型，最后运用到实际项目中。飞行器在飞行过程中会经历各种不同的极端环境，而鸟类翼型在应对相似环境时具有优势。这些生物在长期的进化中，对于不同环境具有一定的适应性。有些鸟类可以运用空气气流进行高效飞行，例如，信天翁贴着海面飞行可以长时间不展翅，从而节省自身体力。正是这些行为为仿生翼型的高效低能耗带来了思考。海鸥滑翔时飞行速度仅19km/h，是滑翔速度最慢的鸟类，它可以巧妙地利用气流慢慢滑翔，只要有一点上升气流，就足以托住它，这是海鸥所具备的本领。吴立明[10]对仿海鸥翼型的动态失速特性进行实验，发现在Re=2.0×10～5 工况下，仿海鸥翼型的平稳性最好。

研究者对鸟类翼型仿生的目的是提取其高效和低能耗的特点。大多研究者通过拍摄自然死亡鸟类翅膀照片或用高速摄像头拍摄正在运动的鸟类翅膀进行比对分析，提取鸟类翼型特征，比对不同鸟类翼型的数据。有些生物具有良好的气动性能，所以可以被用于仿生。例如，王星[11]以长耳鸮翼型为仿生基础，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点，运用B 样条曲线完成拟合，建立鸮翼仿生重构模型。然后使用了一种名为数值求解耦Langtry-Menter SST 模型的雷诺时均 Navier-Stokes 方程，研究了前缘厚度、前端倾角、前缘弧线曲率、翼型中部下表面曲率和尾部厚度等参数，从而得知这些因素对于翼型升阻比的影响，得到一种可以控制大攻角下流动分离发生的仿生翼型。除了鸟类，研究者发现，鱼类的生理结构被用于仿生翼同样具有高效的特点。例如，余超[12]以鲟鱼为研究对象,使用高精度的三维逆向扫描技术提取鲟鱼的特征,以鲟鱼的外形曲线为基础设立无量纲化的点坐标系,采取最小二乘法将多次扫描数据进行拟合实验,构建了一种基于鲟鱼的仿生翼型。采用数值模拟的方式对鲟鱼仿生翼型的压力分布、翼尖涡流、升阻特性进行了分析。最终借助大涡模拟(LES)对翼型的前缘骨线做了一些优化，在此基础上，借助高速摄像技术对优化后的仿生翼型在不同攻角下的空化特性及单个周期内的空化发展过程进行了实验研究。研究者发现座头鲸的非光滑表面可以在流动运动的过程中减小阻力。例如，张照煌[13]发现座头鲸胸鳍的凸凹前缘可以改变胸鳍上流体的流动状态，从而减小阻力，展现这一优秀的力学特性。因此，对于座头鲸胸鳍的仿生在流动控制方面有着极大的研究价值。

3 仿生翼的运用

仿生翼型可以被用于多领域的飞行器上，例如仿生扑翼飞行机器人[14]。老式的固定翼和旋翼机器人的飞行模式对于适应环境的复杂性和多样性是远远不够的，所以我们采用扑翼飞行器，这是一种飞行姿态模仿鸟类和昆虫的飞行器，基于仿生学设计的扑翼飞行器。扑翼飞行器拥有更大的机动灵活性，可以根据环境变化适当调整，飞行费用比较低廉，是执行任务的良好选择。仿生扑翼飞行器尺寸较小、隐蔽性好，在军事和经济领域具有巨大的应用前景。对于军用，它可以在一段时间内无能源补充执行远距离飞行任务、探测生化区、在灾区进行生还人员的搜寻工作。一种新型的飞行器正在慢慢地崭露头角，微扑翼飞行器[15]是一种飞行姿态神似鸟类或昆虫飞行的飞行器，在技术层面上它超越了传统的飞机设计和气动力的研究范畴。它还同时开创了微机电系统技术(MEMS)用于航空领域的先例，它是一种设计和制造具有良好动力学特性的高效仿生飞行器，具有体积小、重量轻、成本低、隐身性和易操作等特点，拥有很强的功能性。例如，它可以用于低空侦察、目标查找、通信中继、帮助公安部门缉毒、边境巡逻等。

虽然微扑翼飞行器的功能强大，但是在对它的设计研究中牵扯到许多技术问题。如，对于扑翼飞行的非定常空气动力机理研究，研究飞行器如何利用非定常流和漩涡去达到高升力和大推力。研究者建立气动力计算的数学模型，探究出在低雷诺数非定常气动数值的数值模拟方法，总结出气动力规律和设计方案。

4 结语

梳理和总结仿生翼型的历史和仿生技术的应用情况，主要是模仿动物的优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单一的特性或双特性对翼型进行优化，不具备根据环境的改变进行自我调节的能力。可以将翼型拆分成不同部分汲取不同的鸟类特征进行仿生，从而去提升气动性能，降低能耗。但是通过什么方法把不同部分的零件承接起来以及多特性耦合仿生怎么实现，有待进一步研究。