正在试飞的仿生飞行器。 西北工业大学供图

西北工业大学仿生飞行器研究团队。 西北工业大学供图

西北工业大学仿生飞行器研究取得新突破——

2023年9月22日上午8时54分12秒，“信鸽”仿生飞行器在西北工业大学长安校区扇动翅膀，轻盈起飞。“信鸽”在空中时而振翼疾飞，时而盘旋，时而随风滑翔。

11时59分42秒，“信鸽”顺利滑翔降落——3小时5分30秒的续航时间，刷新了扑翼式无人机单次充电飞行时间的吉尼斯世界纪录。2022年11月15日，西北工业大学仿生飞行器研究团队研制的“云鸮”仿生飞行器以2小时34分38秒的续航时间创造了扑翼式无人机单次充电飞行时间的吉尼斯世界纪录。

“与‘云鸮’相比，‘信鸽’不仅仅续航时间延长，机身也更小，更重要的是起飞重量只有260克，约为‘云鸮’的四分之一，是仿生飞行器在技术上的一次飞跃。”该团队首席科学家宋笔锋介绍。

技术飞跃的背后，是该团队20余载“从0到1”，在仿生飞行器研究领域的不懈攀登。

■ “从0到1”，“信鸽”飞上蓝天

自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理、重大发明的源泉。伴随着微电子技术和微机电技术的突飞猛进，鸟类的飞行机理和相关仿生技术成为各国科学家争相研究的热点。世界航空强国也都将仿生飞行技术列入了重点发展领域。

2001年，宋笔锋带领团队在国内率先开始了仿生飞行器的探索研究。

尽管飞机的诞生已有百余年，但人类对鸟的飞行还是知之甚少，几乎没有文献可供查阅，没有经验可以借鉴，研究过程非常艰难。

鸟类为何能拥有强大的飞行能力？从观察鸟的飞行、记录鸟类飞行姿态，到通过开展仿真分析和风洞实验研究，宋笔锋带领团队一点点探索鸟类高效飞行的秘诀。

“人造飞行器主要靠翼与空气的相对运动产生升力，推力主要靠以发动机为主的动力系统产生。鸟翼扑动会同时产生升力和推力。鸟类飞行时，鸟翼能够上下挥舞、弦向扭转、前后扫掠、展向折叠，可以通过小翼羽、翼梢开缝、前后缘锯齿等进行流动控制，其机理更复杂。”10月27日，仿生飞行器研究团队骨干教师薛栋介绍，“自然界中，影响鸟类飞行的因素很多。针对每一个影响因素的研究，都要历经上百次的迭代模拟。”

没有任何捷径可以走，唯有反复试错、不断摸索。

薛栋介绍，当“信鸽”的结构设计确定以后，为了给它选择合适的机翼材料，团队试遍了市面上几乎所有能用的材料，光保鲜膜、雨伞布就买了十几种。

“信鸽”起飞之初，曾经有一个问题困扰了团队很长时间。“每当它扑动双翼，机身就抖个不停，调试了无数次，都找不出原因。最后我们无意间发现，用来制造‘信鸽’双翼骨架的碳杆虽然出自同一厂家，但却是不同批次的产品。”薛栋回忆，“极其微小的差别都会导致机翼受力的不均匀，从而影响起飞。从那以后，我们每做完机翼，都要对其进行受力测试。”

这些看似工程上的问题，背后的科学原理到底是什么？

面对仿生飞行器研制中的一系列问题，团队更加坚定地把重点放在探索鸟类的飞行机理的基础研究上。“基础研究是整个科学体系的源头，是所有技术问题的‘总机关’。要研制出性能优越的仿生飞行器，首先就得搞清楚鸟类是怎么飞行的。”宋笔锋表示。

在一次次的摸索和试验中，团队逐渐找到了鸟类翅膀结构、扑动方式与飞行性能的关系，仿生飞行器设计中的扑动翼、驱动机构、飞控系统设计等关键技术随之一点点突破。

在经历了无数次失败后，“信鸽”终于飞上蓝天。

“从2001年到2007年，我们解决了仿生飞行器能飞起来的问题。那时候，‘信鸽’只能飞行5分钟，但是我们对鸟类飞行机理有了更多的认识，并坚定了把基础研究放在最核心位置的科研路径。这为之后的研究奠定了很好的基础。”薛栋表示。

■ 从“形似”到“形神兼备”，向未来翱翔

鸟儿的飞行能力惊人，飞行姿态独具魅力，飞行方式千变万化——

阿拉斯加水鸟可以连续不停地飞行8天，飞行距离超过1万公里。信天翁可以连续6天不扇动翅膀，利用海面上方的风力获得动能。蜂鸟拥有超高的飞行技术，不但可以上下飞、左右飞、前后飞，还可以在一个位置悬停很久……

“经过20多年的研究，我们对鸟类的飞行机理有了一定了解，但是还远远不够。有关鸟类飞行的奥秘，还有很多等待我们去探索。只有这样，我们的仿生飞行器才能从‘形似’到‘形神兼备’。”宋笔锋说。

工欲善其事，必先利其器。在长期的数值仿真研究中，仿生飞行器研究团队发展了适合仿生柔性翼的低雷诺数气动力的高精度流固耦合数值仿真系统。基于该数值仿真系统，研究人员能够更准确地预测和提高飞行器的性能和安全性。同时，团队发展优化的特种风洞实验系统，能模拟三维复合扑动、俯仰、沉浮运动及结构相对大变形等真实飞行形态，且能实时同步精确测量柔性翼瞬时变形和气动力。这些都成为仿生飞行技术研究的“利器”。

基于对鸟类飞行原理的探究，团队设计出的仿生翼型能够明显地提高仿生扑动翼的气动性能。据了解，这种仿生柔性扑动翼拥有鸟类翅膀截面的几何外形特征，实验证明其具有明显的高升力、低阻力气动性能。仿生柔性扑动翼的研制成功，使仿生飞行器从“形似”到“形神兼备”又迈出一大步。

随着研究越来越深入，该团队对鸟类如何高效飞行有了更深的理解，并由此突破了仿生飞行器设计中扑动翼、驱动机构、飞控系统设计等关键技术，在“信鸽”的基础上，研制了“云鸮”“小隼”“蜂鸟”“信天翁”等不同特点的仿生飞行器。

“云鸮”采用了高升力大推力柔性扑动翼设计、高效仿生驱动系统设计和微型飞控导航一体化集成等关键技术。

“小隼”参考鸟类的解剖学特征与飞行动作进行设计，具有较强的机动性与敏捷性，其飞行姿态与大自然的鸟类更为“神似”……

在宋笔锋看来，不管是对鸟类飞行机理的探究还是仿生飞行器的研制，都远远不够，还有很多事情等待团队科研人员持续接力、协同攻关。

在基础研究层面，由于研究鸟的飞行机理的工具欠缺，导致研究不充分。例如，人类对鸟类各种扑动动作的相位时序机理还没有完全搞清，需要发展和应用更高精度的气动仿真和试验技术等。在应用研究方面，急需发展高效率的扑动驱动系统的实现技术、超轻量化低功耗飞控导航系统、轻量化低功耗导航与避障技术以及微载荷与应用系统研究，从而使仿生飞行器能够拥有更强大的功能，真正走向应用。

“仿生飞行器仿的不仅仅是鸟类的外形，更是其形态。因此，我们要更了解鸟类运动规律背后的科学原理。只有通过深挖其机理，进而指导仿生设计，才能实现从‘形似’向着‘形神兼备’进步。”宋笔锋说，“我们将面向科技前沿和国家需求继续勇毅前行，深入开展鸟类飞行机理研究，研制更加高效的仿生飞行器，推动仿生飞行器在更多领域的应用，为国家和社会作出更多贡献。”

■ 从“能飞”到“有用”，和“信鸽”一起成长

“对鸟类的飞行机理有了一些认识，研制出的仿生飞行器可以飞上蓝天，从科研角度讲，我们已经取得了很不错的成绩。但是，只能飞行5分钟的仿生飞行器能干什么？我们希望这些研究能够解决实际问题，成为推动社会进步的力量。”该团队青年教师杨晓君表示。

从2008年开始，仿生飞行器研究团队在持续开展鸟类飞行机理研究的同时，把重心放在提高仿生飞行器的性能上，希望能让它“有用”。

应用场景的演练是“信鸽”飞行最好的训练场。

“现实需求是团队开展仿生飞行器科学研究的根基。闭门造车是做不出好研究的，我们只有去一线摸爬滚打，才能找到真问题，才能让研究成果真正发挥价值。”杨晓君说。

“续航时间能不能再长一点？”“载荷能力能不能再大一点？”“这个飞行器能抗几级风？能不能抗6级风？”“这个飞行器能在低温下飞行吗？”……来自应用一线的一个个问题，在实验室就成为一个个必须要解决的科学难题，成为一项项研究课题，成为一个个研究方向。

“信鸽”仿生飞行器学生总师、博士生柳柳参与一项试点应用任务，连续8个月扎根一线，辗转广东、江苏、湖南、新疆等多地。“当飞行器真正面向任务需求时，复杂的现场环境、变化的任务要求、陌生的任务地域，都是对研究人员和研制成果的挑战与考验。”柳柳介绍，比如实践中发现“信鸽”爬升慢的问题影响着任务的效率，课题组把扑动翼结构拓扑优化列为一项研究课题。通过多轮的优化设计，飞行器的爬升性能增强了，能够快速到达指定高度。

“云鸮”仿生飞行器学生负责人、博士生孟瑞多次带领团队参与演习演示活动。在高原地区的试飞过程中，由于强风影响，“云鸮”难以按照预设航线飞行，甚至出现失速坠落的情况。之后，团队通过深入研究扑动翼的差动控制方法，实现了滚转操纵，提升了强风环境下的操纵性能。“将现实需求和自己的研究课题结合起来，把实践中发现的问题变成科学问题，努力去攻克、去解决。在这个过程中，自己得以快速成长，也对科学研究有了更深刻的理解。”孟瑞说。

仿生飞行器研究涉及飞行器设计、空气动力学、结构强度、机构设计、飞行控制、通信导航、任务载荷设计、能源动力系统匹配等多个学科专业。从概念提出到初步设计、详细设计，再到地面实验和飞行测试，全流程和大飞机设计几乎相同。

“每一型号仿生飞行器的研制，团队都任命教师总师和学生总师。每一次外场测试时，负责总体、扑动翼、驱动系统、飞控系统设计的同学都会参与进来，一起解决飞行过程中遇到的问题，讨论改进方案。”杨晓君介绍，在不断改进的过程中，飞行器的性能得到了提升，团队成员也积累了丰富的飞行器研制经验。

据了解，仿生飞行器研究团队的研究生毕业后，大都入职我国航空航天领域的企事业单位。他们中有的从事新一代战斗机、大型运输机设计，有的从事C919大型客机设计，还有的从事神舟载人飞船系统、天舟系列货运飞船设计。（记者 张梅）

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