让扑翼飞行器逐梦向蓝天——记西北工业大学仿生飞行器研究团队学术资讯

“姿态正常！导航正常！航线上传完成！可以起飞！”2023年9月22日上午8时54分12秒，在秦岭山麓的西北工业大学大学长安校区，在国家级认证机构工作人员的见证下，西北工业大学仿生飞行器研究团队研制的“信鸽”仿生飞行器扇动翅膀，轻盈地起飞。

“信鸽”在空中时而振翼疾飞，时而盘旋，时而随风滑翔。11时59分42秒，顺利滑翔降落，3小时5分30秒的续航时间，打破了由该团队研制的“云鸮”仿生飞行器创造的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。

据了解，同2022年11月15日创造扑翼式无人机单次充电飞行时间吉尼斯世界纪录的“云鸮”仿生飞行器相比，“信鸽”机身更小，翼展不足“云鸮”的一半，重量约为“云鸮”的四分之一，是仿生飞行器在技术上的一次飞跃。

飞行中有鸟类伴飞

不到一年的时间，接连突破吉尼斯世界纪录，不断超越仿生飞行器的技术极限，西北工业大学仿生飞行器研究团队一方面开展鸟类飞行机理研究，把机理研究成果应用于仿生飞行器的研制；另一方面，积极参与10余场次演示演习活动，从实战中找寻和解决真需求、真问题。

仿生扑翼飞行器模仿鸟类等生物扑动翅膀的飞行方式，因其质量轻、体积小、噪音弱等特点，具有仿生性、隐蔽性和便携性，一般为手抛起飞、滑翔降落，起降不受场地限制，可应用于局地复杂环境隐蔽侦察、应急救援信息获取和野外生物科考等多个领域。

面向科技前沿，从鸟类飞行机理研究入手，攻克关键技术

在空中展翅翱翔是人类自古以来的梦想，鸟儿的飞行姿态独具魅力，飞行方式千变万化，代表了人类对飞行最原始的理解和追求，是自古以来人类向往的梦想，西北工业大学仿生飞行器研究团队把这种向往寄托到了仿生飞行器研究中。

仿生飞行器研究团队负责人宋笔锋教授表示，自然界的鸟类飞行能力惊人，研究它们的飞行机理和相关仿生技术，是发展新概念飞行器与提升现有飞行器性能的颠覆性技术，当今世界航空强国也都将仿生飞行技术列入了重点发展领域。要研制性能优越的仿生飞行器首先得研究鸟类是怎么飞行的。

想要探索鸟类的飞行机理，研究过程非常艰难。团队骨干教师薛栋副教授表示，团队通过观察鸟的飞行，记录下鸟类飞行姿态，每一个影响因素的研究，都历经上百次的迭代模拟，开展仿真分析和风洞实验研究，探索鸟类高效飞行的秘诀。

仿生飞行器研究团队从鸟类翅膀结构、扑动方式与飞行性能的内在机理研究入手，详细研究了鸟翼结构、运动形式等对飞行性能的影响机理。博士研究生刘康、稂鑫雨研究了鸟翼几何外形、展缩与结构变形对升力、推力的影响机理，得到了优化的仿生翼外形，以及展缩与结构变形方式；博士研究生包晗研究了小翼羽在鸟类起降阶段的作用机理，发现小翼羽结合了前缘缝翼和涡流发生器的作用，有效抑制大迎角时翅膀前缘的流动分离，显著改善了起降性能；博士生吴涛等研究了多自由度扑动方式对气动性能的影响规律，得到了显著提高气动效率的扑动方式；硕士研究生刘丹、刘夏茹研究了翼稍梢开缝对飞行性能的影响，研究表明翼梢开缝通过破碎翼尖涡可以有效减小诱导阻力。

通过机理性的研究，团队对鸟类如何高效飞行有了更深的理解，由此突破仿生飞行器设计中扑动翼、驱动机构、飞控系统设计等关键技术，研制了具有较高飞行性能的“信鸽”“云鸮”等仿生飞行器，续航时间等指标达到了世界领先水平。

不同翼平面形式影响机理研究

不同展缩形式影响机理研究

翼梢开缝作用机理研究

面向实战需求，从一线实际应用入手，找准研究方向

解决研究领域的真需求、真问题，这才是科研价值所在。团队样机研制负责人宣建林副教授说，“实战需求是团队开展仿生飞行器科学研究的根基，闭门造车、不和一线用户交流，是做不出好研究的，我们只有去一线摸爬滚打，才能找到真问题，才是真正面向实战需求。”

2022年以来，团队受邀参加多次演习演示活动，“信鸽”“云鸮”仿生飞行器在北京、天津、河北保定、广东广州、湖南衡阳、江苏南京、福建厦门、四川稻城（海拔4100m）、新疆乌鲁木齐和库尔勒等全国10余个地区，完成了1500余架次的任务飞行。

“信鸽”在各地执行飞行任务

“云鸮”在各地执行飞行任务

在一场场实战应用中，研究团队积极找寻真需求，挖掘真问题。“续航时间能不能再长一点？”“载荷能力能不能再大一点？”“这个飞行器能抗几级风？能不能抗6级风？”“新疆冬天气温低，这个飞行器能在低温下飞行吗？”......来自一线的一个个问题，回到实验室就成为一个个必须要解决的科学难题，成为一项项研究课题，成为一位位硕博士研究生的研究方向。

有问题就有方向、有动力。在实践过程中发现问题，分析问题，解决问题的过程也正是将理论学习和实践应用相结合的过程，这些问题也为我们提供了今后研改的方向，从工程问题中提炼出科学问题，研究改进后再指导工程实践，反复迭代，精益求精。“信鸽”仿生飞行器学生负责人、博士生柳柳带领李榜、王世洋、种文斌、宋晓伟等工程师团队参与某部的试点应用任务，连续8个月扎根一线，辗转广东、江苏、湖南、新疆等多地。柳柳表示，当飞行器真正面向实战化任务需求时，复杂的现场环境，变化的任务要求，陌生的任务地域都是对研究人员和研制成果的挑战与考验，比如实战中发现“信鸽”爬升慢的问题影响着任务执行的效率，课题组把扑动翼结构拓扑优化列为一个研究课题，通过对多轮的优化设计，增强了飞行器的爬升性能，能够快速到达指定高度。

“云鸮”仿生飞行器学生负责人、博士生孟瑞和飞控系统负责人、博士生翟晨光多次带领刘嘉成、陈秋旭、孙新杰等工程师参与演习演示活动，在西藏、甘孜等高原地区的试飞过程中，风场环境很不稳定，在强风环境下，由于升降副翼操纵方式的操纵效率不足，“云鸮”飞行器难以按照预设航线飞行，甚至出现失速坠落的情况。通过深入研究扑动翼的差动控制方法，实现了滚转操纵，提升了强风环境下的操纵性能。孟瑞表示，从实战场景中发现问题，对研究有了更深刻的认识，将实战需求和自己的研究课题结合起来，把实战发现的问题变成科学问题，努力去攻克、去解决的过程真是自己成长最快的过程。

孟瑞博士

双总师制，教研相长培养“总师型”人才

麻雀虽小，五脏俱全。仿生飞行器研究涉及了飞行器设计、空气动力学、结构强度、机构设计、飞行控制、通信导航、任务载荷设计、能源动力系统匹配等多个学科专业，从概念提出，到初步设计、详细设计，再到地面实验和飞行测试，全流程基本和大飞机设计都一样。

研究团队实行研究生项目双总师制度，每一型仿生飞行器任命教师总师和学生总师，不断突破的过程是团队协作、精益求精的过程。每一次外场测试时，负责总体、扑动翼、驱动系统、飞控系统设计的同学都会参与进来，一起解决飞行过程中遇到的问题，讨论改进方案。最终经过改进、解决问题，在不断改进的过程中，飞行器的性能得到了提升，团队成员们也积累了丰富的飞行器研制经验。

“惟其艰难，才更显勇毅；惟其笃行，才弥足珍贵。”在一次次不断突破超越的创新中，在一次次实践任务的锻造中，在一次次挑灯夜战的奋斗中，仿生飞行器团队的研究生们在干中学，在学中干，坚定信念、勤学知识、苦练本领、增长才干，逐渐成长为“专业精、系统强，重实践、能担当”的人才。

仿生飞行器团队毕业的研究生，绝大部分都入职我国航空航天领域的企事业单位，他们中有从事新一代战斗机、大型运输机设计的，也有从事C919大型客机设计的，还有从事神舟载人飞船系统、天舟系列货运飞船设计的。

如神舟载人飞船系统副总设计师邵立民在接受凤凰卫视采访时所说，“我在硕士和博士阶段做的是扑翼飞行器的研究，一些灵感和想法都缘起于当年在学校的学习和积累，这与后来从事载人飞船系统的总体设计是一脉相承的。在学校我们受‘公诚勇毅’校风的熏陶，受老师们的言传身教，我们要永远怀揣家国情怀，不管从事什么职业，只有心怀国家和民族，才能在奋斗中获得源源不断的驱动力。”从小小“仿生飞行器”到“大国重器”，仿生飞行器团队的优秀毕业生们传承着西工大人“公诚勇毅”的精神追求，践行着西工大人“为国铸剑”的使命担当，把爱国情、强国志、报国行自觉融入实现高水平科技自立自强的奋斗之中。