仿生飞行国际争先

2018-07-01 20:55:58

薛栋 西北工业大学飞行器设计专业博士 党的十九大报告中指出,“创新是引领发展的第一动力,是建设现代化经济体系的战略支撑。要瞄准世界科技前沿,强化基础研究,实现前瞻性基础研究、引领性原创成果重大突破。”

20世纪中叶,仿生学作为一门新兴的学科出现在飞行器设计领域,它将自然生物与科学技术连接到一起。在飞行器的设计过程中,大自然为人们提供了现成的学习材料:在形态方面,简约、优美的生物造型为飞行器设计提供了设计参考;在功能方面,多样、复杂的生物结构体提供了技术上的解决方案。

飞行器的仿生学研究成了航空领域的聚焦点,微型仿生飞行器的设计和制造水平在一定程度上代表着一个国家微机电的工业水平。相比于国外微型仿生飞行器的研制水平,国内在仿生材料、微机电、控制算法等方面还有较大差距,需要尽快缩短。

我所在的西北工业大学航空学院微小型飞行器课题组,从2000年就开始在仿生微型飞行器方面开展研究工作,在仿生空气动力学的理论和实验方面,以及仿生微型飞行器的全系统样机研制等方面取得了重要突破,并达到国际先进水平。

我曾参加过一个名为“仿生微型飞行器扑动翼上的优化”的科研项目。扑动翼是仿生飞行器动力的全部来源,它既要为飞行器提供克服重力的升力,还需提供飞行器向前飞行的推力,可以说它就是仿生飞行器的发动机。然而,扑动翼的设计一向是国际性难题,因为扑动翼的优化设计涉及到众多学科的耦合,包括空气动力学、非线性结构动力学、飞行动力学等。每一个问题都是各自学科领域的难题,将三者耦合起来,难度更是指数级上升。

当导师安排给我这个任务时,我心里既兴奋又忐忑。这是一次极好的锻炼机会,但课题的难度又让我在心里打起了嘀咕。下定决心要啃下这块硬骨头后,我先通过查询大量国内外文献,调研了数十个科研机构,将当前的研究情况进行了全面的了解。由于调研内容充分,还协助老师申请到了课题组第一个国家自然科学基金的面上项目(国家自然科学基金研究项目系列中的主要部分)和资助经费。得到这样的结果,我更有信心了。

随后,我们攻关小组陆续开展了建模和编程工作,这一过程就像西西弗斯推石上山的故事,每天面临的都是永无止境的失败和挫折。每当我认为自己已经调试成功时,每次结果都告诉我这个答案并不是最好的。几乎每周,我都经历着“假想成功”的喜悦和测试失败的循环打击。还好我坚持了下来。通过数个月巨量的优化计算,我们终于将耦合上述三大问题的模型调试成功,并设计和制作出十余种扑动翼。

为了保证科研成果准确无误,无论寒暑,我们都坚持外场测试。夏天,西安野外的气温高达四十多度,为了保证仿生飞行器在飞行过程中不出意外,我们必须全程站在烈日下紧盯飞机,因为任何有阴凉的地方都可能遮挡视线。测试时,我的眼睛更是不敢多眨一下,生怕飞机在那一瞬间有意外发生,毕竟每一架飞机都是我们数个月的汗水结晶。

经过数月的外场测试和迭代改进,2017年底,我们攻关小组终于在理论和飞行试验方面取得了重要进展,将飞行器原有性能提高了13个百分点。

这只是我们科研工作中的一个片段,虽然很苦,但我心里的成就感却随着时间的推移变得越来越大。仿生学是未来飞行器设计的趋势,它既可以解决实际问题,又可以减少对环境的负重。对飞行器的外形、材料、结构等方面的仿生研究,都会使设计走向一条可持续发展的道路。通过不断努力,实现仿生飞行器设计水平和制造水平的弯道超车,是我们义不容辞的责任和使命。

责任编辑:曹晓晨

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