《蜜蜂腹部變形機制及其在變體飛行器中的套用》是依託清華大學，由閻紹澤擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：蜜蜂腹部變形機制及其在變體飛行器中的套用
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：閻紹澤
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
空天飛行器是一種在大氣層和太空中飛行的新型飛行器。由於該飛行器要經歷在大氣層和太空中飛行，並再入大氣層等複雜環境，在不同飛行階段有不同的最優氣動構形要求。借鑑飛行昆蟲的可變體結構，探索能自主地改變氣動外形的空天飛行器結構是一個解決變體飛行器結構設計的有效途徑。蜜蜂是典型的具有飛行功能的腹部變體結構昆蟲，其腹部構形的變化與空天飛行器頭錐變形要求一致。本項目以蜜蜂為研究對象，通過觀測蜜蜂腹部的巨觀動度以及微觀變形，分析蜜蜂背腹板連線關係以及節間的微結構特徵，研究基於肌肉、殼體和節間褶協同作用的變形機制；採用機構異化與拓撲合併等手段，設計仿蜜蜂腹部的頭錐變體結構，提出空天飛行器頭錐變體結構仿生設計的理論與方法。該項研究屬於探索性研究，在揭示蜜蜂腹部變形機制的同時，將對我國空天飛行器變體結構設計具有參考價值和重要意義。
結題摘要
空天飛行器是一種在大氣層和太空中飛行的新型飛行器。由於該飛行器要經歷在大氣層和太空中飛行，並再入大氣層等複雜環境，在不同飛行階段有不同的最優氣動構形要求。借鑑飛行昆蟲的可變體結構，探索能自主地改變氣動外形的空天飛行器結構是一個解決變體飛行器結構設計的有效途徑。 本項目對蜜蜂腹部變形機制進行了系統研究，提出了具有變體頭錐的空天飛行器構想，基於蜜蜂腹部變形機制，設計了頭錐變體結構方案，研製了國際上第一個變體頭錐原理樣機，並進行了實驗研究。本項目主要取得3項重要成果：蜜蜂腹部運動觀測技術及蜜蜂腹部巨觀動度分析方法、蜜蜂腹部連線的超微結構及其變形機理、仿蜜蜂腹部的變體頭錐方案設計及實驗驗證。 為了觀測自由飛行狀態下蜜蜂腹部的巨觀動度，研製了一種仿生態系統社會性昆蟲養殖觀察裝置。運用高速攝影機對蜜蜂的飛行過程進行實時拍攝，選用Canny運算元對蜜蜂腹部進行邊緣提取，實現了對蜜蜂腹部變形運動的量化分析。 利用SEM/TEM觀測蜜蜂腹節相鄰背腹板間幾丁質外殼-節間褶特殊連線結構，採用同步輻射光源相襯CT技術對蜜蜂腹部樣本進行無損掃描，通過三維重構和肌肉驅動理論建模，揭示了蜜蜂分節式腹部的變形機理和節間褶在腹部彎曲變形中的特殊限位作用。採用圖形拓撲理論分析了蜜蜂腹部背/背板、腹/腹板以及背/腹板的節間褶微觀連線結構特性，提出了分散式肌肉驅動的蜜蜂腹部連線的等效機構。 結合蜜蜂腹部的變體結構，提出了從昆蟲變體結構到頭錐變體結構的機構異化方法，設計了仿蜜蜂腹部的飛行器變體頭錐結構。結合氣動分析結果，設計並繪製了仿蜜蜂腹部的飛行器變體頭錐工程圖；建立了縮比仿生變體頭錐結構動力學仿真模型，分析了縮比仿生變體頭錐結構物理樣機的動力學性能。研製了變體頭錐實物樣機，開展了仿生變體頭錐結構的變形尺度與運動學驗證實驗。該項研究揭示了蜜蜂腹部變形機制，提出了變體頭錐技術，為空天飛行器顛覆性設計提供了有效方法。
