来自北京航空航天大学吴江浩教授团队的综述——可悬停仿生扑翼微型飞行器气动设计综述

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程诚, 陈隆, 张艳来, 吴江浩^*

北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京 100191

引用本文：程诚, 陈隆, 张艳来, 等. 可悬停仿生扑翼微型飞行器气动设计综述[J]. 空气动力学学报, 2025, 43(2): 1−26.

DOI: 10.7638/kqdlxxb-2024.0044

研究背景

以自然界昆虫或蜂鸟为设计灵感的可悬停仿生扑翼微型飞行器（Flapping Wing Micro Air Vehicles, FWMAVs）通过驱动扑翼在水平面内高频往复拍动而产生竖直升力，从而具备悬停能力。这种仿生飞行方式在低雷诺数下的飞行效率较高，能够完成灵活的飞行动作。因此，相较于传统固定翼和旋翼微型飞行器，可悬停仿生扑翼微型飞行器能在狭小空间内精准悬停、垂直起降和快速机动，这使其在灾后救援、应急处突和环境监测等领域具有重要的潜在应用价值。

主要内容

本文系统回顾了可悬停仿生扑翼微型飞行器的研制进展和气动设计研究进展，具体如下：

1）可悬停仿生扑翼微型飞行器研制进展

自然界中的昆虫通常由前翅和后翅两对翅膀组成，如：蜜蜂、蝴蝶、蜻蜓等，也有部分昆虫只有一对翅膀，如：果蝇、蚊子、苍蝇等双翅目昆虫。这类双翅目昆虫的后翅进化成了“平衡棒”，用来帮助它们在飞行中感知加速度，进而维持平衡。与这些双翅目昆虫类似，蜂鸟也仅有一对翅膀，且拍动规律十分接近。然而，以昆虫或蜂鸟为灵感的可悬停仿生扑翼微型飞行器不受生物的生理结构限制，除了具有与昆虫和蜂鸟类似的单对翼布局和双对翼布局外，还出现了三对翼、四对翼布局，各构型代表性飞行器的详细参数如表1所示，研制进展如图1所示。

表 1扑翼微型飞行器参数

图 1 典型布局扑翼微型飞行器研究进展图

2）可悬停仿生扑翼微型飞行器气动分析方法

仿生扑翼气动分析主要采用数值仿真和实验测量方法。数值仿真方法中，准定常气动力估算方法认为扑翼拍动产生的气动力仅由瞬时速度和姿态决定，具有计算量小、可解析表达的优势，广泛应用于扑翼气动力估算、气动优化和动力学分析研究中。非定常数值求解方法能够给出精度高于准定常气动力估算方法的结果，但需要耗费的计算资源较大，根据是否考虑流体黏性作用分为不考虑黏性作用的面元法和考虑黏性作用的直接求解法、拟压缩性方法和格子Boltzmann法等。实验测量方法中，已发展出测量气动力、气动力矩、扑翼运动、机构功率、气动噪声等参数的设备，基本满足可悬停仿生扑翼微型飞行器的研制需求。

3）可悬停仿生扑翼微型飞行器仿生机理

延迟失速、打开合拢、快速翻转和尾迹捕获等非定常机制解释了大部分昆虫翅膀如何产生高升力，也为可悬停仿生扑翼微型飞行器的扑翼气动设计提供了仿生机理。这些机制大部分已被应用于可悬停仿生扑翼微型飞行器研制中，特别是基于打开合拢机制研制了双、多对布局形式。近年来也有学者提出一些新的高升力机制，如快速旋转机制、偶极子射流等。

4）可悬停仿生扑翼微型飞行器气动设计

在可悬停仿生扑翼微型飞行器的总体设计和气动设计初期，若通过大量实验对仿生翼进行设计和选型，会耗费大量时间和资源，增加研制难度，因此需提出仿生扑翼气动总体设计方法。

图 2 Keennoon提出的仿生扑翼气动总体设计方法

扑翼的高升力设计需要关注翼几何参数和运动参数。几何参数中，增加翼面积对升力影响最显著；翼的柔性和翼根偏转角一定程度上能够改善扑翼攻角，从而提升扑翼升力；在一定范围内，展弦比越大的扑翼，气动性能越好，而根梢比对升力影响较小。运动参数中，扑翼平拍运动幅度越大、频率越高有利于提高升力，并且提高拍动频率是更有效的增升方式。但提高扑翼拍动频率也会提高扑翼的惯性功耗，从而对传动机构和动力系统带来更大挑战，因此当前主要依靠提升拍动幅度来提高扑翼的升力。

扑翼高效率设计需要考虑翼的运动参数和结构形式。扑翼的翼展、展弦比、根梢比、翼根偏转角、拍动频率、拍动幅度、拍动运动形式、翻转运动对扑翼的气动效率均有影响。在一定范围内，增大扑翼的翼展、展弦比、根梢比和翼根偏转角，同时采用大幅度、低频率的方式拍动可以提高气动效率。合理设计扑翼结构形式主要从两方面改善气动效率，一方面通过调节柔性扑翼展向和弦向变形，使得扑翼沿展向和弦向均处于一个气动效率较高的攻角；另一方面通过调节质量分布来减小扑翼往复拍动过程中的惯性损耗。

扑翼的气动干扰效应应重点关注翼布置的几何参数和运动参数。当翼根间距达到一定阈值后，打开合拢机制的增升效应消失。此外，扑翼拍动幅度、拍动频率、柔性特征等几何、运动、结构参数均对打开合拢机制的增升效果有影响。

扑翼产生的气动噪声与其运动参数、结构形式和翼膜材料属性有关。拍动运动与翻转运动均直接影响扑翼的气动噪声，高频、小幅度、滞后翻转的拍动模式有助于降低扑翼的气动噪声。扑翼翼尖和后缘的几何形状也影响气动噪声水平，采用更仿生的几何外形有利于减小气动噪声。此外，扑翼的翅脉布局、材料属性、翼膜厚度等参数同样影响扑翼的气动噪声。

未来展望

1）仿生翼噪声机理方面

扑翼在拍动过程中翼膜变形、褶皱与拉伸明显，翼膜反复揉搓的结构噪声与气动噪声谁占主导仍有待近一步研究，如何设计低噪声扑翼仍是设计可悬停仿生扑翼微型飞行器的一大难题。自然界猫头鹰的飞行噪声极低，其翅膀具有几大特征：前缘明显突起并具有锯齿状结构、翅膀羽毛蓬松且表面纹理明显、尾部尖端呈梳状结构。蜻蜓在飞行过程中同样几乎没有噪声，其翅脉结构的表面纹理（凸起）明显。因此，未来低噪声扑翼设计可以考虑对扑翼前缘和后缘增加锯齿状结构，研制具有一定纹理的吸噪薄膜材料作为翼膜或尝试直接将生物翅膀作为扑翼，来实现低噪、隐蔽的可悬停仿生扑翼微型飞行器设计。

2）翼-壁/翼-翼气动干扰效应方面

未来可悬停仿生扑翼微型飞行器可应用于室外丛林环境或室内狭窄空间（如通风管道等）内，仿生扑翼与管道壁、树叶的距离近，存在壁面效应等流动干扰；进入管道、丛林后又存在突风扰动，对扑翼的气动性能和飞行性能均产生较大影响。尽管现在已有一些关于扑翼壁面效应和突风扰动的研究，但多集中于分析扑翼气动性能，未来可进一步研究壁面效应和复杂风场综合扰动下的气动性能和飞行稳定性。针对这些不确定的扰动，也可开发相关的自适应控制算法，提高FWMAVs在复杂环境中的飞行能力。此外，由于多翼布局的控制自由度更多，可近一步探讨多翼布局是否在这种复杂环境下的稳定性更强。

3）仿生扑翼气动总体设计方法方面

当前可悬停仿生扑翼微型飞行器研制大多通过反复实验测试的方法来确定扑翼的几何参数和结构形式。这种方法虽然考虑了扑翼惯性、柔性变形等实际因素，所得到的结果通常也比数值仿真更准确，但是大量重复实验使得研制周期较长、成本较高。此外，依靠大量实验难以给出扑翼设计参数的最优解，不容易满足总体设计的综合性指标。因此，仍需系统建立仿生扑翼气动总体设计方法，以总体设计指标为输入，建立一套包含能源-驱动-传动-扑翼多系统耦合的模型，分析各设计参数对总体性能指标的敏感性，给出关键设计指标体系，结合柔性翼气动数据库及准定常气动力模型，快速估算扑翼气动性能并输出满足总体设计指标的扑翼设计方案。

4）高升力、高效率仿生翼设计方案方面

目前可悬停仿生扑翼微型飞行器的扑翼气动效率与昆虫翅膀相比仍有较大差距，其续航时间和性能也难以与昆虫相媲美。未来可重点优化扑翼的几何参数、运动参数和材料参数，进一步提高扑翼的升力和气动效率，增加可悬停仿生扑翼微型飞行器的负载和续航能力。未来可参考昆虫翅膀，优化扑翼制作工艺并设计一体化成型扑翼，将增强材料（如碳纤维等）与轻质翼膜材料一体成型，实现轻质、高强扑翼设计与制备。另一方面，利用高速、高功率微型驱动器(如人造肌肉等)实现扑翼主动拍动和主动翻转控制或利用双稳态结构实现翼膜快速翻转，有望近一步利用翻转运动提升升力和气动效率。

5）力-运动-噪声-功耗综合测试平台方面

可悬停仿生扑翼微型飞行器总体设计需综合权衡升力、气动效率与气动噪声指标，因此需要力-运动-噪声-功耗综合测试平台同步测量所有状态量，才能厘清扑翼各参数之间的内在联系与相互影响机制。未来可搭建一个大型真空室，内部由透明材料制作消声室，并将力传感器与扑翼置于消声室内，扑翼运动观测设备和采集电压电流信号的电器设备可在消声室外观测扑翼运动，实现扑翼力-运动-噪声-功耗同步测量。

综上，本文提出了对可悬停仿生扑翼微型飞行器的气动设计未来发展方向与展望，可为后续研究人员提供参考和借鉴。

来源：风流知音

气动噪声航空航天电力材料传动仿生控制管道

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首次发布时间：2025-04-03

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