快讯！北京航空航天大学发布突破性航空科技成果！

人类从来没有停止过

对于飞行的梦想

当我们挣脱重力触碰天空的过程中

鸟类成为了一位非常好的“老师”

从古至今

墨子模仿鸟类造出了木鸢

达芬奇绘制了扑翼机草图

在现代科技的助力下

人类已经实现了飞上蓝天的梦想

达芬奇《巴黎手稿B》中的设计图纸

在空中飞行的大型飞机和无人机

已经从设想变为现实

但自然界还有更小的“飞行家”

它们来去自如地穿梭在各类场景之中

更加精细、灵活

如何将它们的优点融入小型飞行器

让机械长出“生命的翅膀”？

日前

“新天工开物——科技成就发布会”航空科技专场

在国家科技传播中心举行

发布会聚焦我国航空领域自主创新成就

集中发布了由中国航空学会推荐的

三项突破性航空技术成果

在复杂狭窄空间内

一架如蜂鸟般灵巧悬停、自主穿行的

微型飞行器惊艳全场

这是北京航空航天大学团队

发布的微型可悬停扑翼飞行器

北航李椿萱院士介绍

此类飞行器具有强隐蔽、

强抗扰和强机动特性

已成为全球研究热点

北航吴江浩教授介绍

这一飞行器于2017年实现首飞

并在2022年具备了稳定飞行、

控制及实时图传的能力

2024年成为同类飞行器中唯一

持续飞行时间超过15分钟的飞行器

近日

《科普中国·直击最前沿》

专访了吴江浩教授

专题报道了上述成果

接下来和小萱一起了解

我国首个具备自主悬停能力的

仿蜂鸟微型飞行器

共同解码仿生科技飞向蓝天的奥秘

悬停之谜

破解自然界的飞行密码

你是否曾被蜂鸟的飞行技巧惊艳过？

它们可以在空中

悬停、前进、后退、上升、下降

灵活的像一架自然界的直升机

是飞行界的“芭蕾舞者”

这种神奇的飞行能力让科学家着迷

也激发了工程师们去破解它背后的秘密

蜂鸟体型仅手掌大小

重量不足一颗鸡蛋

翅膀拍动的频率

却可以高达80次/秒

能实现直升机般的精准悬停

飞行效率远超现代无人机

简单来说

悬停的秘密在于翅膀的高速拍动

把蜂鸟上方的气流吸到下方去

产生反作用力

托起蜂鸟自身的重量

从而达到稳定悬停在空中的效果

仿生之智

让机械长出生命的翅膀

01

如何扑动起来？

当尝试把飞行器的尺寸

缩小到巴掌大的时候

很多传统空气动力学规律将不再适用

吴江浩团队历时十余年

试图破译蜂鸟飞行的奥秘

并尝试运用工程技术将其实现

早期的原型机结构主要采用

光敏树脂3D打印工艺制作

虽然精度高

但材料性能比较脆弱

加工的流程也极为复杂

给团队成员带来了极大挑战

高频的拍动带来了往复交变的载荷

传统材料做成的结构很容易断裂

经常是“组装一整天，测试几分钟”

这让成员们意识到

可靠性、稳定性和耐久性

是仿生飞行

从能动走向能飞的第一道门槛

经过结构力学仿真和可靠性分析

最终设计了一套平面四连杆机构

模仿蜂鸟180°大角度拍翅

采用高强度尼龙复合材料

可承受每秒数十次的高频运动

并且连续工作数百小时不损坏

02

如何保证升力？

成员们将目光投向了蜂鸟的翅膀

蜂鸟有弹性的骨骼、灵活的关节

和柔韧的羽毛

依靠肌肉主动调控翅膀的攻角

实现刚柔并济的精准控制

团队以蜂鸟为对象

引入非定常空气动力学的数值模拟验证

用碳纤维作为翅膀的主要骨架结构

用聚酰亚胺的材料作为翅膀的薄膜结构

制备了轻质、高效、低噪声的

仿生柔性扑翼

使其既保持刚度、又具有柔性

翅膀重量仅占机身1%

却能产生1.5倍体重的升力

03

如何飞得更稳？

仿蜂鸟飞行器遵循非定常飞行机理

必须要有一套主动控制的系统

才能维持飞行的稳定性

于是团队开启了最后的攻关

为仿生蜂鸟设计一个“大脑”

也就是它的飞行控制系统

自主设计了1.8克重的飞行控制板

能够集成微处理器、陀螺仪、

加速度计与通讯模块

具备轻量化、小型化的特点

和毫秒级的反应速度

它是这只仿生蜂鸟的“神经中枢”

帮助它完成稳定控制的决策

构建仿生蜂鸟的动力学模型

使飞行器能够如同蜂鸟般

对外界的扰动做出毫秒级的响应

实现姿态调节、抗扰控制与空中悬停

这一过程经历了

无数次的试飞、调参与迭代

有时仅因为一个参数几十毫秒的延迟

飞行器就会迅速在空中翻滚跌落

2019年，团队成功实现

在没有任何外部约束条件下

飞行器依靠自身的动力和控制

实现自由起降、悬停、转向

等一系列飞行动作

完成了从理论到实践的关键跨越

04

如何稳定悬停？

受到生物飞行过程的启发

团队提出翼身耦合控制机制

模拟生物在飞行过程中

多个身体部位相互协调的策略

设计可控仿生腹部结构

能够实现腹部与翅膀的同步姿态调节

实验结果证明

仿生蜂鸟的机动性能

领先国际上其他同类的扑翼飞行器

这意味着即使在复杂的扰动环境下

仿生蜂鸟也能快速高效地响应

并具备足够的稳定裕度

最终一直能够稳定悬停

翼展未来

微型飞行器的应用答案

仿生扑翼飞行器正在成为

引领微型化、智能化、

仿生化技术浪潮的前沿代表

凭借其体积小、质量轻、

灵活性强、不易被察觉等优势

已在多个前沿领域显示出独特的价值

在民用领域

可服务于灾后救援、矿脉探测、

管道巡检、边境监视等高风险环境

成为飞行中的探路者

而在教育和科普方面

可以走入科技馆、教室与公众视野

激发青少年对科学、工程和自然的热爱

解飞鸟之语，启万物智联

面对智能仿生时代的浪潮
北航人将持续科研攻关

加快培育低空经济新质生产力

为打造世界微型飞行器创新高地
贡献北航智慧与力量！

出品 | 航小萱®工作室

素材来源｜BRTV纪实科教《科普中国·直击最前沿》

编辑｜郭瑞 李彤韵