1、课程论文园地OFJOURNALBEE(Monthly)(月刊）2023年第10 期蜜蜂杂志飞行器领域之蜜蜂带来的启示李泽宇1，胡福良2（1.浙江大学航天航空学院飞行器设计与工程2 0 2 2 班，浙江杭州1310058;2.浙江大学动物科学学院，浙江杭州310 0 58)摘要：航天航空的事业仍在继续，2 1世纪的时代洪流来势泌泌，兼具飞行能力的蜜蜂也开始登上航天航空的舞台，为航天航空事业做出了不可磨灭的贡献。文章从蜜蜂的变体飞行器和微型扑翼飞行器的角度出发，阐述蜜蜂在其研究中的意义。关键词：蜜蜂；变体飞行器；微型扑翼飞行器中图分类号：S89文献标识码：A文章编号：10 0 3-9139(202
2、3)10-0017-031引言航天航空事业是人类科技进步的象征，为我们带来了无数的便利和惊奇。从最初的人类飞行到现在的火箭发射、空间站建造、星际探索等领域，航天航空事业一直处于高速发展的状态。其中，中国以几十年的航天航空发展史，从世界的跟随者逐步转变为世界的领跑者，成为世界上少数几个具备独立开展空间技术的国家之一。航天航空的事业仍在继续，2 1世纪的时代洪流来势汹汹，兼具飞行能力的蜜蜂也开始登上航天航空的舞台，为航天航空事业做出了不可磨灭的贡献。蜜蜂是一种体积较小的昆虫，具有2 对翅膀，前翅与后翅，每对翅膀都是由透明并且坚韧的薄膜构成，能够进行悬停、转弯等一系列飞行动作，具有极好的稳定性与操作
3、性。本文从蜜蜂的变体飞行器和微型扑翼飞行器的角度出发，阐述蜜蜂在其研究中的意义。2变体飞行器飞行器在进人大气层乃至太空的过程中，会经历一系列的复杂的飞行环境，这对飞行器的设计提出了更高的挑战。为了解决这一挑战，美国率先提出“可变行飞行器”的概念，又称“变体飞行器”，即飞行器可以通过自主改变外形来改变其气动性能，从而更好地完成各项复杂的飞行使命。鸟类是自然界典型的变体飞行器之一。鸟类有着独特的翅膀和身体结构，能改变其翼型，通过增大翼型弧度从而增加最大升力系数，减小失速速度，使其可以低速安全降落。最初的变体飞行器也都是模仿鸟类，通过机械结构来实现机翼变形。2.1蜜蜂腹部变体机制蜜蜂腹部由6 个体节
4、组成，相邻体节之间又是通过肌肉和节间褶互相连接，节与节之间协调配合，共同完成整体的腹部运动，并且在腹部节间褶结构的限制下，蜜蜂腹部能够进行伸缩和单向弯曲。从蜜蜂腹部的角度出发，伸缩、弯曲和摇摆是其主要的生理活动的3个自由度，分为1个移动自由度和2 个转动自由度，因此，蜜蜂腹部相邻体节之间的生理结构可以等效为2 Rxy1Tz并联机构2 。2.2仿蜜蜂腹部变体头锥设计头锥在飞行器气动外形的优化中起着重要收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 9作者简介：李泽宇，男，贵州遵义人，在校本科生，E-mail：32 18 42 536 4 q q.c o m指导老师：胡福良，教授，博导，E-mail：f T
5、 h u z j u.e d u.c n18OFBEE(Monthly)JOURNALOct.NO.102023(月刊）蜜蜂杂志作用。在不同飞行阶段中，对头锥的要求的差异比较大-飞行器在上升段期间，在保证结构强度和稳定性的前提下，需要减少头锥的剖面半径，降低截面积，从而减小空气阻力；然而在再人段期间，需要加大头锥的剖面半径，帮助飞行器在高速进人大气层时减少加热和气动力等负荷。为了解决这一问题，蜜蜂腹部的变体机制引起了人类的注意。蜜蜂腹部的分节结构，以肌肉作为相邻两节之间的连接，实现节与节之间的相对运动。尹丹妮等3基于蜜蜂腹部变体机制，设计了一种性能良好的仿生变体头锥机构。该机构采用3组RSH/
6、RRR支链并联机构形式并且以螺旋机构作为驱动。通过旋量理论计算得出该变体并联机构有2 个自由度，符合变体机构的设计要求。接着又从动力学的角度进行仿真分析，证明了该变体机构设计满足变体头锥变形要求，并且受力状态稳定，具有良好的动态性能。由此观之，变体飞行器具有获得最佳的气动性能的潜力，是未来先进飞行器的重要特征和发展方向之一2.3变体飞行器的现状与前景变体飞行器是一类具有可变形结构，能根据飞行环境变化和飞行任务需求自适应改变外形的新概念飞行器。目前，变体飞行器技术已经取得了一定程度的进展，在民用和军事领域都有广泛的应用前景。例如，在民用领域，变体飞行器可以应用于无人机、救援和勘探等领域；在军事领
7、域，变体飞行器可以应用于侦察、情报收集、打击等多个领域。同时，变体飞行器技术也面临着一些挑战，例如设计复杂、工艺难度大等问题。目前，变体飞行器的发展欣欣向荣，仿蜜蜂腹部变体头锥为变体飞行器的发展注人新的活力，对提升飞行器气动性能的优化和仿生设计具有重大意义。上文给出的仿蜜蜂腹部头锥仅是初步设计，距离投人生产与应用还需要大量的实验与改进。3扑翼微型飞行器仿生扑翼微型飞行器是一种基于仿生学原理，通过模仿鸟类和昆虫等生物，利用它们在长期自然进化中形成的高效飞行方式，而设计制造的新型微型飞行器，其特点是尺寸小、重量轻、功耗低且机动性能好。扑翼飞行器的提出可以追溯到19世纪，人们通过对昆虫飞行的研究，发
8、现与传统的飞行器相比，这种扑翼飞行器具有许多优点，例如可以同时产生推力和升力，而且飞行效率更高，还不需要专门用于起飞降落的场地4。正是这些优点引起了国内外相关人员对于扑翼飞行器越来越多的重视。3.1蜜蜂翅翼形态分析蜜蜂翅膀主要由3部分组成：翅脉、翅膜和翅毛。在翅脉和翅膜的接合处，翅脉的蛋白层和钛蛋白层之间存在着无缝连接；翅脉的所有蛋白层都被翅膜的上下表皮层平滑、无缝、紧密地包裹成一个整体。这种封装提高了翅脉与翅膜的结合度，避免了应力集中，保证了翅脉内的体液在翅内循环，使其保持足够的弹性，并在蜜蜂生长过程中在翅膜内产生预拉伸。翅膜的预拉伸使翅膀形成一个整体的拱形，这反过来又改善了翅膀横截面的惯性
9、矩，从而提高了其弯曲刚度。这样的装配为扑翼微型飞行器仿生翅的设计和制造提供了启发式的指导3.2蜜蜂悬停的仿生力学研究蜜蜂的悬停非常平稳，同时机动性也很好。孙茂等间以此为切人点，对蜜蜂悬停飞行的仿生力学开展了研究一一将蜜蜂视为3自由度的物体，研究其纵向运动。计算出拍动翅及身体的气动导数；用特征模态分析方法求解其运动方程。最后得出结论，在蜜蜂悬停时，扰动增长的倍幅时间是拍动周期的二十几倍，标志着蜜蜂有着足够的时间来调整翅的摆动，奠定了其稳定性。不稳定振荡模态是蜜蜂纵向扰动运动的特征模态之一。在此模态中，水平方向的运动伴随着俯仰运动，产生了与旋转方向相同的力矩，导致了蜜蜂悬停时是动不稳定的。稳定性弱
10、或不稳定则又是高机动性的基础。而如何利用和控制蜜蜂悬停飞行的高机动19OFJOURNALBEE(Monthly)（月刊）2023年第1 0 期蜜蜂杂志性与稳定性，对仿生微型飞行器的研制有重要的指导意义。3.3扑翼微型飞行器研究扑翼飞行器是一类仿生飞行器，根据仿生对象和结构特征的不同可以分为仿鸟型、仿昆虫型和仿蝙蝠型3 类。其中，哈佛大学的wood教授团队开发了质量仅8 0 mg的世界上最小的飞行器robobee，它是一种仿蜜蜂的扑翼飞行器，能够平稳起飞、悬停和路径追踪。在2 0 1 6 年，该团队又进行了新一代robobee的研究，增加了一个电极，使得robobee能够吸附在大多数物体上，这是
11、以往任何飞行器都无法实现的。扑翼飞行器也存在着不少关键技术问题，例如飞行动力与能源问题扑翼飞行器尺寸小巧、质量较轻，赋予了其广泛的应用前景，但也决定了自身的负载能力较小，很难携带较多的能源，限制了其输出功率，导致其续航时间有限8 。仿生微型扑翼飞行器是一个多学科深度交叉融合的热门研究方向，对先进材料、控制系统、非定常空气动力学等领域的发展具有重要的学术意义和广泛的应用价值9。目前，国内外的扑翼飞行器还处于实验阶段，未来，扑翼飞行器将会得到长足的发展，创造出巨大的经济效益。4结语蜜蜂与飞行器，一种是自然界里鲜活的生物，一种是人类文明下研发的机械。两者均有着出色的飞行能力，蜜蜂通过数百万年的演化，
12、逐步改进了自己的翅膀结构和飞行技巧，成为了大自然中最高效的飞行昆虫之一；而飞行器则是人类科技的杰作，经过无数次实验和测试，才得以飞离地面，在空中邀游。在我们探索和学习这些生物和机械的过程中，我们也更深刻地认识到了生命的美妙和科技的伟大。同时，我们也意识到，只有将这些知识与技术应用于实际生产和生活中，才能更好地造福于人类和整个地球。因此，我们要珍惜生命、尊重自然，同时也要不断创新、突破自我。相信在未来的日子里，人类一定能够更加完善地掌握飞行技术，让人类社会更加繁荣昌盛。参考文献：1冉茂鹏，王成才，刘华华，等.变体飞行器控制技术发展现状与展望J.航空学报，2 0 2 2，4 3(10):432-4
13、49.2梁友鉴，赵杰亮，阎绍泽.基于蜜蜂腹部变体机制的空天飞行器仿生变体头锥设计J.机械工程学报,2 0 2 0,5 6(0 5):4 7-5 4.3尹丹妮，谷勇霞，张玉玲.仿蜜蜂腹部变体机构设计及运动分析J.机械科学与技术，2 0 2 3（4)：1-7.4 丁美希，赵全亮，马世伟，等.仿生微型扑翼飞行器的研究进展J.兵器装备工程学报，2 0 2 3，4 4(03):1-11.5马赞.蜜蜂翅翼的力学行为研究D.北京理工大学,2 0 1 7.6孙茂，熊燕微型飞行器的仿生力学一一蜜蜂悬停飞行的动稳定性研究J.航空学报，2 0 0 5(0 4)：385-391.7周林，张忠海，王建辉，等.扑翼飞行器的研究现状与发展J.兵器装备工程学报，2 0 2 2，4 3(0 8)：44-54.8赵民，张祥，付强，等。仿生扑翼飞行器能耗研究进展J.工程科学学报，2 0 2 2 4 4(1 2)：2 1 1 1-2 1 2 3.9徐韦佳，姚奎，宋阿羚，等微型仿生扑翼飞行器研究综述J.信息技术与网络安全，2 0 2 0，3 9(10):7-10+17.10赵英杰.仿生扑翼飞行器研究现状与发展前景分析J.农机使用与维修，2 0 2 3，(0 3)：3 1-3 3.
