哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 第2章扑翼飞行机理分析 鸟类和昆虫在长期的进化过程中，形成了其独特的组织特征，这些特征使它 们可以很好的完成各种复杂的飞行任务。生物翅膀的特殊材质，有助于鸟类和昆 虫的飞行，但是对升力的贡献不是主要的，而且某种程度上是可以复制的。同时， 在固定翼的空气动力学中，也提供了一个直观的现象，就是如果机翼配置合适， 只要有足够的推力维持足够速度的来流，飞机就能够飞行。而与固定翼飞机不同 的是，鸟类和昆虫的推进和举升都是由翅膀扑动完成。因此，鸟类和昆虫翅膀的 运动成为研究扑翼飞行过程中的关键问题。近百年来，学者们致力于通过研究鸟 类和昆虫翅膀的运动轨迹、扑动频率、翅膀附近流场特性以及翅膀尺度等问题来 揭示扑翼飞行的原理。本章主要从运动特征和气动特性两方面来说明。 此外，固定翼飞机的产生是利用鸟类滑翔的原理，并且经过上百年的发展， 固定翼飞行的空气动力学也已经趋于成熟。在研究扑翼飞行的过程中发现，这些 原本受鸟类启发而发展成熟的理论，反过来也可以解释鸟类飞行的某些关键问题， 这是以往学者们在研究过程中所忽略的。本章将会在鸟类飞行机理和飞行姿态部 分进行相应的阐述。 本章的研究主要针对双翅的情况，蜻蜓的前后扑翼和共轴四翼这些四翅的情 况，具有特殊的空气动力特性，本文不做讨论。 2.1鸟类飞行机理的分析 2.1.1鸟类翅膀的运动特征 鸟类翅膀最大的特点就是可以折叠，这是因为鸟类独有的灵活的关节和可以 开合的羽毛。这些特征可以使鸟类在不同的飞行状态得到不同的翼展面积。鸟类 翅膀的结构如图2-1所示，其中桨形羽可以收拢和展开，对飞行影响最大。桨形羽 又分为初级飞羽和次级飞羽，初级飞羽又叫初级拨风羽，主要产生推力，在翅膀 扑动的过程中，初级飞羽做大幅度的扭转运动，同时带动次级飞羽做小角度的扭 转。次级飞羽段与前缘合起来，相当于固定翼飞机的机翼，主要产生升力。 鸟类翅膀的扑动基本上分为下扑和上扑两个阶段，同时在扑动的过程中，还 伴随着翅膀的折叠收拢和展开。 ()下扑阶段：在下扑过程中，翅膀展开至最大面积，从最高点下扑至最低点， 翅膀基本上保持展开状态。这一阶段占用一个扑动周期的大部分时间，是提供升 力的主要阶段： -11-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 -11- 第2章 扑翼飞行机理分析 鸟类和昆虫在长期的进化过程中，形成了其独特的组织特征，这些特征使它 们可以很好的完成各种复杂的飞行任务。生物翅膀的特殊材质，有助于鸟类和昆 虫的飞行，但是对升力的贡献不是主要的，而且某种程度上是可以复制的。同时， 在固定翼的空气动力学中，也提供了一个直观的现象，就是如果机翼配置合适， 只要有足够的推力维持足够速度的来流，飞机就能够飞行。而与固定翼飞机不同 的是，鸟类和昆虫的推进和举升都是由翅膀扑动完成。因此，鸟类和昆虫翅膀的 运动成为研究扑翼飞行过程中的关键问题。近百年来，学者们致力于通过研究鸟 类和昆虫翅膀的运动轨迹、扑动频率、翅膀附近流场特性以及翅膀尺度等问题来 揭示扑翼飞行的原理。本章主要从运动特征和气动特性两方面来说明。 此外，固定翼飞机的产生是利用鸟类滑翔的原理，并且经过上百年的发展， 固定翼飞行的空气动力学也已经趋于成熟。在研究扑翼飞行的过程中发现，这些 原本受鸟类启发而发展成熟的理论，反过来也可以解释鸟类飞行的某些关键问题， 这是以往学者们在研究过程中所忽略的。本章将会在鸟类飞行机理和飞行姿态部 分进行相应的阐述。 本章的研究主要针对双翅的情况，蜻蜓的前后扑翼和共轴四翼这些四翅的情 况，具有特殊的空气动力特性，本文不做讨论。 2.1 鸟类飞行机理的分析 2.1.1鸟类翅膀的运动特征 鸟类翅膀最大的特点就是可以折叠，这是因为鸟类独有的灵活的关节和可以 开合的羽毛。这些特征可以使鸟类在不同的飞行状态得到不同的翼展面积。鸟类 翅膀的结构如图 2-1 所示，其中桨形羽可以收拢和展开，对飞行影响最大。桨形羽 又分为初级飞羽和次级飞羽，初级飞羽又叫初级拨风羽，主要产生推力，在翅膀 扑动的过程中，初级飞羽做大幅度的扭转运动，同时带动次级飞羽做小角度的扭 转。次级飞羽段与前缘合起来，相当于固定翼飞机的机翼，主要产生升力。 鸟类翅膀的扑动基本上分为下扑和上扑两个阶段，同时在扑动的过程中，还 伴随着翅膀的折叠收拢和展开。 (1) 下扑阶段：在下扑过程中，翅膀展开至最大面积，从最高点下扑至最低点， 翅膀基本上保持展开状态。这一阶段占用一个扑动周期的大部分时间，是提供升 力的主要阶段；