师从自然的仿形飞行器

沈海军 余翼

2021年6月1日，一条长1.8米的“大飞鱼”全身碧蓝，掠过上海郊区上空，历经数分钟飞行后稳稳落地。它便是同济大学飞行器工程研究团队的最新研究成果—一架仿飞鱼无人机。人类仿生飞行的想法由来已久，严格讲，《封神榜》中的雷震子，中国明代的飞行火器“神火飞鸦”，均可纳入仿生飞行的范畴。仿生飞行学致力于发现飞鸟、飞鱼、昆虫等会飞生物的优良飞行特性，并将这些性能运用到飞行器研制之中，已发展成为现代航空领域的重要方向之一。

一、仿生与仿形飞行器

自然界中，经过亿万年的优胜劣汰，许多生物进化出了诸如高效的气动外形、可靠的内部结构、独特的环境感知系统等优良特性，这无疑给人类发展新科技和设计新产品提供了重要参考。上世纪初，仿生技术逐渐走进人们的视野。直到20世纪60年代，美国科学家J.E.Stelle提出仿生学概念，仿生学才被人们视为一门专门学科纳入科研和生产当中。

近年来，人们发现将仿生学运用到飞行器设计中，能够显著提升飞行器性能，于是就有了“仿生飞行器”。飞行器仿生包括形态仿生、结构仿生和肌理仿生等。其中，形态仿生也叫仿形仿生，指飞行器从外形上对自然界生物进行模仿；结构仿生则指飞行器在内部结构上参考自然界中的特定生物；肌理仿生则是指飞行器表面设计时参照生物体表的微观肌理。不管何种仿生，目标都是一致的，那就是寄希望以此增强飞行器的性能。

在诸多仿生飞行器研制思路中，仿形是最常见的仿生设计形式之一。缤纷多彩的大自然里，万物形态各异，为人们设计飞行器外形时提供了原始的参照样本。

早在2000多年前的古埃及，人们参照鸟类的形态制造出“古埃及木鸟”，其外形已初具滑翔机的雏形；2019年，同济大学的研究团队更是给上述“古埃及木鸟”装上动力，将其飞上了蓝天。上世纪初，人们热衷于对鸟类、蝙蝠和昆虫的形态模仿，制作出了形形色色的飞行器，但因为当时技术水平所限，它们的飞行性能低下，尚无法与自然界中同类生物相提并论。

人类飞机发明前，最重要的技术突破是人们将飞行器分为两部分来开展设计；一部分是以机翼为主体的增升部分，另一部分是以引擎为主体的动力装置，并据此提出了飞机的设计思路，为飞机的发明奠定了最初的理论基础。

现如今，人们已经研制出了各种各样的飞行器，但飞机设计师们仍孜孜不倦地尝试着将仿形运用到飞行器设计中，以试图获得性能更佳的飞行器。

二、仿鸟飞行器

鸟类能够在天空中自由翱翔，令长期逗留在地面上的人类羡慕不已，因此鸟类成为仿形飞行器最早也是最受欢迎的模仿对象，这种飞行器常被称作“仿鸟飞行器”。目前，仿鸟飞行器主要有两种研究方向，一是模仿鸟类形态的滑翔机，这种类型的飞行器机翼是固定的，凭借其气动外形以获得良好的滑翔能力；二是仿鸟类的扑翼机，通过翅膀的扑动来获取升力和机动能力。

自古以来，人们便对能够在天空中自由飞翔的鸟类充满了美好向往。宋朝张骘的《太平御览•文士传》中就提到了张衡设计圃斓囊豢钅灸瘢揽科涓共刻厥獾目刂苹梗苫枋镌丁９�15世纪，意大利著名设计家和画家达•芬奇通过近20年时间对鸟类的观察分析，设计了由人力驱动的仿鸟扑翼飞行器的手稿。

图1 达•芬奇设计的人力仿鸟扑翼飞行器

1929年，英国科学家设计出了一款人力驱动的仿鸟飞行器，其机翼模仿鸟的翅膀设计，翼展达9米，每个翅膀重4.5公斤。依靠人力挥动来维持滑翔，最远可以滑翔300米，持续飞翔的性能较弱。由于技术限制，到20世纪中期以前，仿鸟飞行器只能通过人力驱动，更类似与一种滑翔机，效率与鸟类相比相对低下。

现代仿鸟类飞行器是上世纪90年代才开始逐渐发展的，其驱动方式已转变为引擎或者电机驱动。1991年，加拿大研究人员首次研制出引擎驱动的仿鸟扑翼飞行器，它由一个主要燃烧甲醇的引擎驱动，最大功率可达1马力，起飞质量为3.9公斤，最快飞行速度可达15.2米/秒。

其后各国开始注重提高仿生飞行器的空中飞行效率。2004年美国特拉华大学研究人员研制了名为“麻雀”的扑翼飞行器。该飞行器外形模仿小型雀类，通过扇动翅膀达到向前飞行的目的。它的翼展约为15厘米，持续飞行时间为1分钟。在它的基础上，特拉华大学研究团队研制了“蜂鸟”系列扑翼飞行器。它将蜂鸟的形状等比例放大，翼展增加至48厘米。该飞行器十分轻巧，重量只有50克，翅膀不仅可以上下扑动，还可以改变俯仰角度，飞行灵活性得到了提升。

为了提高仿鸟飞行器的飞行能力，令其更接近所模仿的鸟类，人们在飞行器的形态和结构设计上开展了深入的研究。2010年德国费斯托公司以海鸥为原型，研制出仿鸟扑翼飞行器“智能鸟”。“智能鸟”的出现将仿鸟飞行器的研制提升到了一个新的高度，它翼展达到2米，全身采用碳纤维材料骨架制成，重量只有450克。在表面加上白色蒙皮以后，形态与海鸥极为相似，在天空中飞翔的时候甚至引来一群真鸟伴飞。

图2 费斯托公司研制的仿生海鸥

2012年美国航宇环境公司研发出了“蜂鸟”超微型飞行器，其翼展为16厘米， 质量为10克，飞行速度最快可达到10米/秒，续航时间可达8分钟。“蜂鸟”仿生飞行器利用仿生学原理，在飞行过程中的能量转换、气动性能和续航能力方面有了极大的突破。

图3 “蜂鸟”超微型飞行器

2018年，日本早稻田大学研究人员参照欧洲雀鹰设计了一款仿鸟无人机。该研究者从欧洲雀鹰正常飞行时的正下方拍摄照片，通过该照片获得了轮廓边缘，依据此边缘设计了飞行器的机翼和尾翼的轮廓，并在其基础上加以优化，确定了合适的翼型截面，最终获得了良好的三维气动外形。

2019年，我国科学家按照悉尼银鸥的外形，设计了一款混合驱动的仿生无人机。它既可像普通扑翼飞行器那样，通过扑动翅膀来飞行，又可以通过安装在腹部的四个可伸缩旋翼的运转来悬停在空中，它的机首处还安装了一套可伸缩螺旋桨系统，进一步拓展了驱动的方式，为人们对仿鸟飞行器的设计提供了一种新的思路。

图4 按照悉尼银鸥外形设计的混合驱动仿生无人机

三、仿鱼飞行器

鱼儿能够在水中快速地游动，流线型的外形赋予了鱼类优良的流体力学性能。优良的外形在水中能够减阻，运用到飞行器上，同样也可以达到空中减阻的效果。

飞鱼是一种能在海面上连续滑翔的鱼类。它虽然没有鸟类那样灵活有力的翅膀，但是“飞行”起来毫不逊色，较强壮的飞鱼一次可以滑翔180米，连续滑翔的时间可达43秒，滑翔的距离可以远至400米，堪称大自然的奇观。因此，仿飞鱼飞行器近些年备受人们关注。

1988年，美国宾州西彻斯特大学研究人员针对33种199只飞鱼样本，开展了基于形态学的空气动力学研究。系统地探究了飞鱼的翼面积、翼展、翼载荷、长宽比与其体型大小之间的关系，并基于飞鱼胸鳍和腹鳍的形状和位置开展了机翼设计，最后将设计出的机翼的飞行性能与其他滑翔机和扑翼机作对比，得出了在高速飞行条件下，基于飞鱼形态设计的机翼具有较高升阻比，空气动力学表现与鸟类滑翔时相类似的结论，为后续基于飞鱼的仿生设计提供了理论和数据支撑。

2011年，麻省理工学院研究团队研制出一款仿生飞鱼两栖飞行器。这是第一款有实验数据支撑的仿生飞鱼飞行器。它既可以在水下游动，又可以跨越水面冲入空中滑翔。它的翼展达0.32米，身长0.25米，重量约为145克，其密度与水接近，因此在水中游动时几乎可悬浮在水里。通过对真飞鱼的形态模仿，它成功克服推进功率不足的限制，最快以5米/秒的速度冲出水面，完成跨介质的飞行。

图5 麻省理工学院研究人员设计研发的飞鱼仿生两栖飞行器

2013年，斯坦福大学研究人员发布了一款按照飞鱼为模板设计的无人机，其翼展为70厘米，身长30厘米，重约30克。它可以通过一个压紧的弹簧弹射起飞，在距离地面1米高处可以获得4米/秒的水平速度，最远可滑翔5米，其滑翔性能在同时期不依靠动力维持推进的仿飞鱼飞行器中是最好的。

2019年，浙江大学邓见团队依照飞鱼的气动外形，设计了一款仿生飞鱼跨水气介质的无人平台，其机身长25厘米，排水量0.19公斤。通过流体力学的方法，探究了在水下潜行、水面滑跑和加速起飞整个过程的动力学特性，验证了该气动形态的仿生飞鱼飞行器依靠尾鳍摆动助跑起飞的可行性。

此外，除了以飞鱼为仿生飞行器设计的原型之外，研究者对其他鱼类也开展了仿生学设计。例如瑞士的聪明鱼（Smartfish）公司以金枪鱼为原型设计的仿金枪鱼飞机。国内也有学者依据旗鱼外形设计了仿旗鱼倾转旋翼飞行器、依据飞鱼外形设计了仿飞鱼可旋转组合式机翼飞行器等。

   四、其他仿形飞行器

自然界中，除了鸟类和鱼类有着良好的气动性能之外，亿万生物中仍然有很多种类在经历了漫长岁月的自然选择后，进化出了优良的气动外形，值得人们开展仿生学研究。这些物种包括种类繁多的昆虫、蝙蝠、水母等等。其中最受人们关注的，是基于昆虫的仿生飞行器。昆虫中有许多种类能够灵活地在空中飞行，它们体型较小，却在微小尺度上具备惊人的气动特性，为飞行器的仿生设计提供了丰富的素材库。

2013年，哈佛大学研究人员以双翅目蜂蝇为原型，研制了一种微型仿昆虫扑翼飞行器。其总重仅为80毫克，双翅翼展为3厘米，可以提供超过1.3牛的升力，左右两翅的驱动机构功率为19毫瓦。但是受到电池技术的限制，它只能够通过尾部连接细导线来获取电力。2017年，该课题组再接再厉，对微小结构加以优化，令飞行器可以利用水的张力降落在水面上，并可以通过引燃电解水产生的氢气和氧气获得推力，达到从水面起飞的目的。此外，近年来世界各地还零星出现了仿生蜻蜓飞行器、仿蝴蝶飞行器等报道，这些均是以昆虫作为仿生对象的仿形飞行器范例。

图6  以双翅目蜂蝇为原型的微型仿昆虫扑翼飞行器

同样作为飞行能力优秀的生物，蝙蝠也是很多仿生飞行器的模仿对象。1998年美国加利福利亚工学院和航宇环境公司共同研发的“微蝙蝠”，它总重量为12.5克，能够在空中持续飞行42秒。另外，水母作为一种海洋生物，经历数亿年的繁衍，对能量的利用效率已经到了相当高的水平，同时也具备低雷诺数下优良的气动外形。依据这种特性，很多飞行器也以水母为仿生原型，但以浮空飞行器居多。例如2014年纽约大学依据水母的外形，设计了一款浮空扑翼飞行器。它可以通过分布在四周的四个扑翼在空中缓缓移动，能量利用效率非常高。国防科技大学的杨跃能模仿僧帽水母，优化了一种平流层飞艇的气动外形，将其升阻比提高60%以上。

除了以单种生物为原型进行仿生飞行器设计之外，也有研究者以多种生物为模板，分别取其气动性能优异的外形部分，并将它们结合在一起，设计出了新的仿生飞行器。例如吉林大学学者，分别选取翠鸟的头部和龙虱的身体为形态仿生对象，并将它们结合在一起，设计出一款跨介质航行器，为飞行器减小阻力提供了一种新的设计方案。

五、同济大学的仿飞鱼飞机

2019年6月，同济大学沈海军教授团队研制出了一架仿生飞鱼无人机，并成功试飞。

为了获得飞鱼的气动外形，课题组特地在海南购买了4条鲜活的飞鱼。在飞鱼原始模型构建过程中，他们先将飞鱼的胸鳍和腹鳍拿牙签固定、放入冰箱冷冻室冻结，撤去牙签后，飞鱼的形态得以保持。

接下来是对飞鱼形态进行测量和三维扫描。经过测量，研制团队准确获得了飞鱼的翼展、身长等几何参数。采用非接触式光学双目立体扫描仪，获得飞鱼原始模型的点云数据；通过Imageware软件，构建出了飞鱼模型的外形曲面，进而用逆向设计的方法，获得飞鱼的外形模型。

有了飞鱼外形模型，在大型工作站上利用计算流体力学软件对飞鱼进行了理论模拟与分析，团队最终获得了飞鱼无人机的表面压力、流场、压力场，以及升力/阻力/升阻比和稳定性曲线等一系列气动性能数据。计算数据显示，飞鱼的气动性能十分优异，其机翼机身上表面流速较快，可形成低压区，为飞鱼提供充裕的升力。

接下来是仿飞鱼无人机的结构设计与制作。

飞鱼无人机结构设计中，飞鱼的胸鳍被设计成主机翼，用于提供其升力；后机身上方和末端分别仿飞鱼的背鳍和尾鳍，充当无人机的垂直安定面和全动方向舵，用于保证其航向稳定性和航向运动；前下方设置有“臀鳍”，作为其水平安定面，用以维持它的俯仰稳定。其中，在左右主机翼上各包含了三个墙和9个翼肋，尾缘设计有副翼，用来控制其横滚运动；机翼在前机身左右两侧通过碳纤维管对接。在机头部位预留了电机安装支架，供安装大马力电机和螺旋桨之用。

为了制作仿飞鱼无人机，团队人员先将三维CAD模型各部件投影成二维工程图，得到激光切割的零件加工图纸。再经过激光切割，得到激光切割飞机模型零件。研制团队对零件组装、胶水固定、铺设蒙板、打磨、贴迷彩蒙皮、加装动力装置与控制系统后，一架飞鱼无人机便大功告成。

图7 同济大学的仿飞鱼无人机

完成后的飞鱼无人机翼展1.5米、身长1.8米，后三点起落架布局，安装了双叶高效率螺旋桨，由一枚大功率电机和6S锂电池提供动力。

仿飞鱼无人机试飞定在上海松山区佘山附近的航空飞行基地进行。该飞行基地拥有一条200米的跑道，以及一片宽阔的空域。

试飞现场，在紧张的试飞准备工作与调试完成后，随着一声令下，飞机启动、滑跑、加速，最终一跃而起。无人机经过空中两圈的巡航后，平稳缓慢地降落。在短暂的试飞中，无人机横侧、掉头，表现得十分灵活，最终安然落地。

--《百科知识》约稿