扑翼机寄托人类数百年飞行梦想

作者：晨阳马俊

2024-08-10

<article><section data-type=“rtext”>【环球时报特约记者晨阳环球时报记者马俊】近日在由中央军委训练管理部主办的全军“枪王”挑战赛中，参赛的海军小队释放了一只形态逼真的仿生鸟执行隐蔽侦察任务，这种扑翼无人机在空中盘旋的视频在外网热传。美国“动力”网站惊叹它与真的小鸟几乎无法分辨，对手可能根本无法意识到自己正处于监视中，“一切就如同是从好莱坞动作片里直接截取的”。该报道提到，美国也对这类模仿鸟类的扑翼机进行了多年研究，这种新概念飞行器将为未来战场带来独特的优势。 曾是人类飞行器的主流设计 人类最早追逐飞行的梦想，就是从模拟鸟类扑打翅膀的动作开始的。中国航空专家王亚男9日接受《环球时报》记者采访时表示，早期人类尝试飞行是主要设想依靠双臂挥舞仿制的翅膀来模拟鸟类飞行动作，很多古代神话和传说里都有这样的情节，但生理结构决定了人类无法与为满足飞行要求而进化的鸟类相比，这些尝试在现实中全都以失败而告终。 <img data-alt=“早期扑翼机设计草图” src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/6e6f73dc078481c8f3c750f6d6e0bc5du1.png?imageView2/2/w/750" />西方从文艺复兴时代开始利用机械模拟鸟类扑打翅膀的动作，这也成为此后数百年间人类追逐飞行梦想的主流设计。例如文艺复兴时期多才多艺的意大利艺术家达·芬奇就曾设计过扑翼机。根据他留下的草图，这种扑翼机翼展为10米，由松木制成，外覆生丝。驾驶员需要面朝下躺在一块木板上，脚踩踏板为机翼提供动力，同时摇动手把增加动力。用现代的眼光看，这种设计显然无法真正让人飞上天，甚至光靠人力也很难驱动如此庞大的机械。事实上，此后出现的扑翼机设计大都存在同样的问题，即只是在外形结构上简单模仿鸟类拍打翅膀的动作，但实际上基本不可能运行。 王亚男解释说，早期扑翼机设计失败的主要原因是当时并不清楚鸟类飞行的科学原理。通过现代高速摄像机可以发现，其实鸟类拍打翅膀是一个非常复杂和精细的运动，不但翅膀本身的运动轨迹变化多端，而且翅膀不同部位的羽毛也会相应地调整以精确控制气流方向，这样的精细运动是只有简陋机械结构的早期扑翼机不可能做到的。在不断尝试扑翼机的过程中，早期飞行先驱发现，模拟鸟类翅膀平展的滑翔动作相对容易。1804年，被称为“空气动力学之父”的英国科学家乔治·凯利发表了第一篇关于人类飞行原理的论文，首次从空气动力学角度证明，即便不用像鸟类那样拍打翅膀，也能让飞行器飞上天空。他明确提出，现代飞机不应模仿鸟类振翼而飞，而应采取固定翼飞机＋推进器的模式，并在该论文中详尽地描述了现代飞机的轮廓，为后来的空气动力学奠定了基础。 得到科技理论的支持后，从19世纪开始，人类的飞行梦想才逐步从扑翼机转向滑翔机和后来的动力飞机，1903年美国莱特兄弟发明的飞机实现了人类史上首次重于空气的航空器持续而且受控的动力飞行，由此开创了现代飞机的快速发展历史。 从20世纪五六十年代开始，扑翼机重新得到重视。王亚男介绍说，这是因为当时高速摄像机和电子计算机的出现，为人类精确研究鸟类和昆虫的飞行动作提供了技术基础。进入21世纪后，科学家逐步揭开了鸟类和昆虫的飞行秘密，包括它们扑打翅膀时的精细运动轨迹，并依托现代流体力学，部分建立起相应的气动理论模型。同时超轻的新型材料、微型电动机、全新的飞控软件等配套技术的发展，也为现代扑翼机奠定了物质基础。因此近年来，全球各种扑翼机开始相继涌现。 王亚男表示，现代扑翼机拥有常规飞机难以企及的优势。与相同体积和重量的传统飞行器（包括无人机）相比，扑翼机的机翼产生推力的效率高得多，可用很少的能量进行长距离飞行。同时虽然扑翼机的飞行速度无法与超音速常规飞机相比，但它的灵活性和敏捷性是传统飞机无法相提并论的，它能够随时在空中快速转弯、悬停和倒退，甚至在复杂管道里灵活飞行，而且还不会像传统飞行器那样发出明显噪音。“动力”网站注意到，由于扑翼机的运动方式与鸟类和昆虫非常类似，因此它们还可以很轻易地伪装成这些动物，单凭肉眼几乎无法分辨，这就为它们执行战场侦察、情报收集、通信中继乃至携带爆炸物发动自杀式攻击等任务提供了得天独厚的优势。 主要分为两大技术流派 目前扑翼机主要分为模拟鸟类和模仿昆虫两大技术流派。王亚男介绍说，鸟类飞行是通过翅膀的低速拍动以及羽毛调整气流风向以获得升力，实现自由飞行。模拟鸟类的扑翼机体积较大，能容纳更多的传感器等设备，作用更为广泛，续航时间也相对较长。这种扑翼机的外观可以做得与真鸟一样，低调、隐蔽地执行侦察或攻击任务。由于常规飞机的速度较快，即使与小鸟相撞也可能导致重伤坠毁，因此可以将仿真扑翼机伪装成猛禽，执行机场驱鸟任务；或者反过来将仿真扑翼机潜伏在对手机场附近，在敌机起降时发动突然袭击，以携带爆炸物或直接撞击的方式达到损毁效果。 <img data-alt=“模仿昆虫的现代扑翼机” src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/4dbfa76cbfcb87c357a6ccc878df9c21u1.png?imageView2/2/w/750" />美国国防高级研究计划局（DARPA）对此非常感兴趣，早在1992年的未来军事技术研讨会上就首次提出“纳米飞行器”概念，要求它的体积与小鸟相似，总重约10-100克，有效载荷20克以上，翼展和长度小于152毫米，续航时间20-60分钟，飞行速度每小时30-60公里，具有实时成像、导航和通信的能力。根据该计划，美国AeroVironment公司在2012年设计了一种仿蜂鸟微型扑翼飞行器，翼展为0.165米，质量10克。它的最大飞行时间为11分钟，能实现空中悬停和翻跟斗等高难度动作。 中国也在相关领域处于全球领先地位。公开资料显示，在2011年的中航工业杯—国际无人飞行器创新大奖赛上，西北工业大学的扑翼机采用鸟类流线型机身，机翼由平面连杆机构进行驱动，翼展约为0.6米，重量约220克。它的机架采用碳纤维复合材料，可实现自主起飞与自主巡航功能，机载微型摄像机可实时获取并传输地面图像信息，实现侦察功能。2022年，西北工业大学研制的“云鸮”仿生飞行器创造了2小时34分38秒的扑翼式无人机单次充电飞行时间吉尼斯世界纪录。2023年，同一团队研制的“信鸽”扑翼无人机以3小时5分钟30秒再次刷新纪录。该团队成员介绍说，由于“信鸽”过于逼真，在试飞中经常引来真的鸟类伴飞，甚至遭到过老鹰的袭击。 而昆虫飞行时主要是通过翅膀高速往复振动提供动力，模拟昆虫的扑翼机不太可能依靠传统的动力装置。例如美国佐治亚理工学院研制的仿昆虫微型扑翼飞行器“Entomopter”，其机翼与蝴蝶翅膀类似，依靠“往复式化学肌肉”驱动。据称，它可以直接将化学能转变为机械运动，且能量转换效率较高。荷兰代尔夫特理工大学研制的飞行昆虫扑翼机有两对翅膀，可以通过改变每一个翅膀拍打的方式向不同方向飞行，灵活性与真正的昆虫惊人地相似。 王亚男表示，这样的仿生昆虫扑翼机除了执行传统的侦察和窃听等任务外，还可以用于灾难救援行动。例如面对救援人员和传统机器人都无法进入的倒塌建筑，仿生昆虫扑翼机可以灵活地通过废墟的缝隙进入其中，搜寻可能的幸存者。 更大或更小，都面临技术挑战 《沙丘》系列科幻电影中出现的“厄崔迪扑翼飞行器”属于典型的载人扑翼机，它有着如同蜻蜓的外形，凭借8片可以向后折叠的机翼，既能够垂直起降，又拥有现代战斗机的机动能力，甚至可收起机翼进行俯冲。如此炫酷的扑翼机距离现实有多远？ <img data-alt="《沙丘》出现的载人扑翼机" src="//img.huanqiucdn.cn/dp/api/files/imageDir/2c3338d930fdbef19b8ef93bd15ab3f8u1.png?imageView2/2/w/750" />王亚男表示，尽管扑翼机的相关研制近年有了重大突破，但主要都属于中小型号，用于侦察、通信中继等任务，想要打造类似《沙丘》中出现的载人扑翼机，目前还不现实。在自然界，翼展3-4米的信天翁是具备飞行能力的最大鸟类之一，但它们的最大重量只有10公斤左右，而重量更大的鸵鸟等走禽已经失去了飞行能力。从材料学角度解释，这是因为鸟类的生理结构最多只能支持信天翁大小的鸟类上天飞行。因此如果想要研制尺寸和重量更大的载人扑翼机，首先就需要在建造材料方面取得全面突破，相比现有材料，在轻盈度、强度、韧性、延展度等性能方面实现数倍甚至数十倍的提升。 其次，现有的扑翼机仍只是相对简单地模拟鸟或昆虫的飞行动作。事实上，扑翼的扑动速度、角度、运动轨迹都会影响其气动属性，这比常规飞行器机翼基本不变的情况复杂得多。鸟类在飞行过程中，翅膀的展弦比、后掠角、翼型、有效的翼面积等都在时刻大幅度改变。对于飞行器设计来说，模仿这样的能力需要非常复杂完善的神经系统功能来进行控制。例如想要真实地模拟鸟类翅膀的动作，扑翼机的机翼前缘和后缘都需要灵活地改变形状，这就要求在机翼上设置复杂和灵活的传动机构，并在配套的飞控软件控制下及时做出相应的调整。同时扑翼飞行时，机翼周围的气流变化极其复杂。目前科学家对于扑翼机的空气动力学原理研究仍有相当大的空缺，相关的风洞试验方法也很不完善。想要建造出超越鸟类的扑翼机，还有很长的路要走。 而对于制造真正昆虫级别的扑翼机而言，技术挑战同样巨大。例如对于厘米级微型扑翼机而言，空气黏性不可忽略，传统气动构型面临空气动力学效率难题。同时小微型飞行器极易受到气流的影响而无法正常飞行，哪怕是人类呼气产生的气流也会影响到扑翼机的飞行姿态。所以想要控制这样的扑翼机平稳飞行，需要大量的传感器、飞行控制器等部件使扑翼机的飞行保持平稳。这些传感器的自重以及所消耗的电能也会迫使扑翼机增加额外的重量，这使得本就不足的续航里程与载重能力变得更为糟糕。另一方面，微型扑翼机的动力系统自身就受到很大限制，它们基本都采用微型电动机提供动力，受当前电池技术的限制，仿昆虫微型扑翼机很难携带电池连续飞行，大都采用外接电线的方法提供动力，行动受到很大限制。2018年澳大利亚公司研制的一款微型扑翼机采用激光照射机身光伏电池的方式实现远程无线供电，但飞行过程中很难保证激光的连续照射，实用性不高。</section></article>