《昆蟲前飛的運動學觀測及空氣動力學和飛行力學研究》是依託北京航空航天大學，由孫茂擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：昆蟲前飛的運動學觀測及空氣動力學和飛行力學研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：孫茂
- 項目類別：重點項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
用實物觀測、理論分析和數值模擬三者相結合的方法，研究典型昆蟲在不同速度下前飛時的翅膀拍動運動學，氣動力機制與能耗，及飛行動穩定性與控制。主要研究內容為：1、在風洞中定量測量翅膀的拍動頻率、幅度、幾何攻角等運動學參數，給出這些參數隨前飛速度的變化規律；2、基於N-S方程數值解和渦動力學分析，探討前飛氣動力機制和能耗隨飛行速度的變化規律；3、基於Floquet理論和平均模型理論，研究飛行的動穩定性，探討穩定性特性隨飛行速度的變化規律；4、研究飛行的控制特性(包括可控性，增穩控制，及改變飛行速度的控制)，探討其中的空氣動力學、動力學和控制原理。研究結果可為研製微型飛行器提供新概念和新原理，可增加人們對自然界的了解。
結題摘要
本項目對昆蟲前飛的運動學（翅膀的拍動運動），空氣動力學（升力、推力與相應的能耗）和飛行力學（動穩定性與控制）進行系統的研究，為微型飛行器的研製提供新概念；為生物學家研究昆蟲的比較生理學提供力學依據。取得以下成果：1、給出了蜂蠅和果蠅起飛時翅膀拍動和身體運動的運動學參數。發現兩種起飛方式：蜂蠅起飛時沒有跳躍，完全由翅膀的氣動力提供起飛的舉力，就像直升機那樣。果蠅起飛時，主要是用腿的彈跳力提供起飛的舉力，翅膀的拍動運動的主要作用是控制姿態。2、給出了果蠅和蜂蠅懸停時翅膀拍動的運動學參數。3、通過風洞中自由飛行觀測,首次獲得中等和大前飛速度下昆蟲翅膀拍動的運動學參數。4、發現果蠅懸停時產生高升力的一個新機制：“下俯後快速上仰機制”（每次拍動開始，翅膀速度很低，快速下俯至十分小的攻角;然後，此時翅膀速度已較大，快速上仰，後緣處產生了很大的渦量,導致很大的渦量矩的時間變化率，從而產生高升力）。5、發現果蠅和蜂蠅大速度前飛時產生大推力的一個新機制：“划槳機制” （通過在短時間內在翅膀的前緣和後緣產生不同方向的新渦量，導致很大的渦量矩的時間變化率，從而產生高升力）。6、揭示了飛行需用功率隨飛行速度的變化關係近似為“J”形曲線，而不像飛機的那樣為U形曲線。7、揭示了飛行速度小時，飛行是不穩定的（因縱向和橫向都有不穩定模態）；中等速度下，飛行是近似為中性穩定的（因縱向和橫向都有似為中性穩定的模態）；大速度下，飛行是不穩定的（因縱向模態中有一個特徵值十分大的不穩定發散模態）。8、揭示了飛行雖然是動不穩定的，但是可控的（通過反饋適當的控制參數，可實現穩定的懸停飛行，例如，反饋狀態變數以改變拍動平均角或翅膀攻角，縱向的不穩定模態可得到有效的控制）。9、揭示了改變（增大）飛行速度的主要控制為，身體傾角減小同時拍動平面傾角增大；拍動平均角增加。
