正在試飛的仿生飛行器。 西北工業大學供圖

西北工業大學仿生飛行器研究團隊。 西北工業大學供圖

西北工業大學仿生飛行器研究取得新突破——

2023年9月22日上午8時54分12秒，“信鴿”仿生飛行器在西北工業大學長安校區扇動翅膀，輕盈起飛。“信鴿”在空中時而振翼疾飛，時而盤旋，時而隨風滑翔。

11時59分42秒，“信鴿”順利滑翔降落——3小時5分30秒的續航時間，刷新了扑翼式無人機單次充電飛行時間的吉尼斯世界紀錄。2022年11月15日，西北工業大學仿生飛行器研究團隊研制的“雲鸮”仿生飛行器以2小時34分38秒的續航時間創造了扑翼式無人機單次充電飛行時間的吉尼斯世界紀錄。

“與‘雲鸮’相比，‘信鴿’不僅僅續航時間延長，機身也更小，更重要的是起飛重量隻有260克，約為‘雲鸮’的四分之一，是仿生飛行器在技術上的一次飛躍。”該團隊首席科學家宋筆鋒介紹。

技術飛躍的背后，是該團隊20余載“從0到1”，在仿生飛行器研究領域的不懈攀登。

■ “從0到1”，“信鴿”飛上藍天

自古以來，自然界就是人類各種技術思想、工程原理、重大發明的源泉。伴隨著微電子技術和微機電技術的突飛猛進，鳥類的飛行機理和相關仿生技術成為各國科學家爭相研究的熱點。世界航空強國也都將仿生飛行技術列入了重點發展領域。

2001年，宋筆鋒帶領團隊在國內率先開始了仿生飛行器的探索研究。

盡管飛機的誕生已有百余年，但人類對鳥的飛行還是知之甚少，幾乎沒有文獻可供查閱，沒有經驗可以借鑒，研究過程非常艱難。

鳥類為何能擁有強大的飛行能力？從觀察鳥的飛行、記錄鳥類飛行姿態，到通過開展仿真分析和風洞實驗研究，宋筆鋒帶領團隊一點點探索鳥類高效飛行的秘訣。

“人造飛行器主要靠翼與空氣的相對運動產生升力，推力主要靠以發動機為主的動力系統產生。鳥翼扑動會同時產生升力和推力。鳥類飛行時，鳥翼能夠上下揮舞、弦向扭轉、前后掃掠、展向折疊，可以通過小翼羽、翼梢開縫、前后緣鋸齒等進行流動控制，其機理更復雜。”10月27日，仿生飛行器研究團隊骨干教師薛棟介紹，“自然界中，影響鳥類飛行的因素很多。針對每一個影響因素的研究，都要歷經上百次的迭代模擬。”

沒有任何捷徑可以走，唯有反復試錯、不斷摸索。

薛棟介紹，當“信鴿”的結構設計確定以后，為了給它選擇合適的機翼材料，團隊試遍了市面上幾乎所有能用的材料，光保鮮膜、雨傘布就買了十幾種。

“信鴿”起飛之初，曾經有一個問題困擾了團隊很長時間。“每當它扑動雙翼，機身就抖個不停，調試了無數次，都找不出原因。最后我們無意間發現，用來制造‘信鴿’雙翼骨架的碳杆雖然出自同一廠家，但卻是不同批次的產品。”薛棟回憶，“極其微小的差別都會導致機翼受力的不均勻，從而影響起飛。從那以后，我們每做完機翼，都要對其進行受力測試。”

這些看似工程上的問題，背后的科學原理到底是什麼？

面對仿生飛行器研制中的一系列問題，團隊更加堅定地把重點放在探索鳥類的飛行機理的基礎研究上。“基礎研究是整個科學體系的源頭，是所有技術問題的‘總機關’。要研制出性能優越的仿生飛行器，首先就得搞清楚鳥類是怎麼飛行的。”宋筆鋒表示。

在一次次的摸索和試驗中，團隊逐漸找到了鳥類翅膀結構、扑動方式與飛行性能的關系，仿生飛行器設計中的扑動翼、驅動機構、飛控系統設計等關鍵技術隨之一點點突破。

在經歷了無數次失敗后，“信鴿”終於飛上藍天。

“從2001年到2007年，我們解決了仿生飛行器能飛起來的問題。那時候，‘信鴿’隻能飛行5分鐘，但是我們對鳥類飛行機理有了更多的認識，並堅定了把基礎研究放在最核心位置的科研路徑。這為之后的研究奠定了很好的基礎。”薛棟表示。

■ 從“形似”到“形神兼備”，向未來翱翔

鳥兒的飛行能力驚人，飛行姿態獨具魅力，飛行方式千變萬化——

阿拉斯加水鳥可以連續不停地飛行8天，飛行距離超過1萬公裡。信天翁可以連續6天不扇動翅膀，利用海面上方的風力獲得動能。蜂鳥擁有超高的飛行技術，不但可以上下飛、左右飛、前后飛，還可以在一個位置懸停很久……

“經過20多年的研究，我們對鳥類的飛行機理有了一定了解，但是還遠遠不夠。有關鳥類飛行的奧秘，還有很多等待我們去探索。隻有這樣，我們的仿生飛行器才能從‘形似’到‘形神兼備’。”宋筆鋒說。

工欲善其事，必先利其器。在長期的數值仿真研究中，仿生飛行器研究團隊發展了適合仿生柔性翼的低雷諾數氣動力的高精度流固耦合數值仿真系統。基於該數值仿真系統，研究人員能夠更准確地預測和提高飛行器的性能和安全性。同時，團隊發展優化的特種風洞實驗系統，能模擬三維復合扑動、俯仰、沉浮運動及結構相對大變形等真實飛行形態，且能實時同步精確測量柔性翼瞬時變形和氣動力。這些都成為仿生飛行技術研究的“利器”。

基於對鳥類飛行原理的探究，團隊設計出的仿生翼型能夠明顯地提高仿生扑動翼的氣動性能。據了解，這種仿生柔性扑動翼擁有鳥類翅膀截面的幾何外形特征，實驗証明其具有明顯的高升力、低阻力氣動性能。仿生柔性扑動翼的研制成功，使仿生飛行器從“形似”到“形神兼備”又邁出一大步。

隨著研究越來越深入，該團隊對鳥類如何高效飛行有了更深的理解，並由此突破了仿生飛行器設計中扑動翼、驅動機構、飛控系統設計等關鍵技術，在“信鴿”的基礎上，研制了“雲鸮”“小隼”“蜂鳥”“信天翁”等不同特點的仿生飛行器。

“雲鸮”採用了高升力大推力柔性扑動翼設計、高效仿生驅動系統設計和微型飛控導航一體化集成等關鍵技術。

“小隼”參考鳥類的解剖學特征與飛行動作進行設計，具有較強的機動性與敏捷性，其飛行姿態與大自然的鳥類更為“神似”……

在宋筆鋒看來，不管是對鳥類飛行機理的探究還是仿生飛行器的研制，都遠遠不夠，還有很多事情等待團隊科研人員持續接力、協同攻關。

在基礎研究層面，由於研究鳥的飛行機理的工具欠缺，導致研究不充分。例如，人類對鳥類各種扑動動作的相位時序機理還沒有完全搞清，需要發展和應用更高精度的氣動仿真和試驗技術等。在應用研究方面，急需發展高效率的扑動驅動系統的實現技術、超輕量化低功耗飛控導航系統、輕量化低功耗導航與避障技術以及微載荷與應用系統研究，從而使仿生飛行器能夠擁有更強大的功能，真正走向應用。

“仿生飛行器仿的不僅僅是鳥類的外形，更是其形態。因此，我們要更了解鳥類運動規律背后的科學原理。隻有通過深挖其機理，進而指導仿生設計，才能實現從‘形似’向著‘形神兼備’進步。”宋筆鋒說，“我們將面向科技前沿和國家需求繼續勇毅前行，深入開展鳥類飛行機理研究，研制更加高效的仿生飛行器，推動仿生飛行器在更多領域的應用，為國家和社會作出更多貢獻。”

■ 從“能飛”到“有用”，和“信鴿”一起成長

“對鳥類的飛行機理有了一些認識，研制出的仿生飛行器可以飛上藍天，從科研角度講，我們已經取得了很不錯的成績。但是，隻能飛行5分鐘的仿生飛行器能干什麼？我們希望這些研究能夠解決實際問題，成為推動社會進步的力量。”該團隊青年教師楊曉君表示。

從2008年開始，仿生飛行器研究團隊在持續開展鳥類飛行機理研究的同時，把重心放在提高仿生飛行器的性能上，希望能讓它“有用”。

應用場景的演練是“信鴿”飛行最好的訓練場。

“現實需求是團隊開展仿生飛行器科學研究的根基。閉門造車是做不出好研究的，我們隻有去一線摸爬滾打，才能找到真問題，才能讓研究成果真正發揮價值。”楊曉君說。

“續航時間能不能再長一點？”“載荷能力能不能再大一點？”“這個飛行器能抗幾級風？能不能抗6級風？”“這個飛行器能在低溫下飛行嗎？”……來自應用一線的一個個問題，在實驗室就成為一個個必須要解決的科學難題，成為一項項研究課題，成為一個個研究方向。

“信鴿”仿生飛行器學生總師、博士生柳柳參與一項試點應用任務，連續8個月扎根一線，輾轉廣東、江蘇、湖南、新疆等多地。“當飛行器真正面向任務需求時，復雜的現場環境、變化的任務要求、陌生的任務地域，都是對研究人員和研制成果的挑戰與考驗。”柳柳介紹，比如實踐中發現“信鴿”爬升慢的問題影響著任務的效率，課題組把扑動翼結構拓扑優化列為一項研究課題。通過多輪的優化設計，飛行器的爬升性能增強了，能夠快速到達指定高度。

“雲鸮”仿生飛行器學生負責人、博士生孟瑞多次帶領團隊參與演習演示活動。在高原地區的試飛過程中，由於強風影響，“雲鸮”難以按照預設航線飛行，甚至出現失速墜落的情況。之后，團隊通過深入研究扑動翼的差動控制方法，實現了滾轉操縱，提升了強風環境下的操縱性能。“將現實需求和自己的研究課題結合起來，把實踐中發現的問題變成科學問題，努力去攻克、去解決。在這個過程中，自己得以快速成長，也對科學研究有了更深刻的理解。”孟瑞說。

仿生飛行器研究涉及飛行器設計、空氣動力學、結構強度、機構設計、飛行控制、通信導航、任務載荷設計、能源動力系統匹配等多個學科專業。從概念提出到初步設計、詳細設計，再到地面實驗和飛行測試，全流程和大飛機設計幾乎相同。

“每一型號仿生飛行器的研制，團隊都任命教師總師和學生總師。每一次外場測試時，負責總體、扑動翼、驅動系統、飛控系統設計的同學都會參與進來，一起解決飛行過程中遇到的問題，討論改進方案。”楊曉君介紹，在不斷改進的過程中，飛行器的性能得到了提升，團隊成員也積累了豐富的飛行器研制經驗。

據了解，仿生飛行器研究團隊的研究生畢業后，大都入職我國航空航天領域的企事業單位。他們中有的從事新一代戰斗機、大型運輸機設計，有的從事C919大型客機設計，還有的從事神舟載人飛船系統、天舟系列貨運飛船設計。（記者 張梅）

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