题目：食蚜蝇悬停飞行的动稳定性和控制研究

研究昆虫飞行的力学原理是一项非常有意义的事情，不仅有助于了解自然界中昆虫飞行的秘密，同时可以为人类研制拍动式微型飞行器提供指导性意见。 就昆虫与外部介质的相互作用来看，昆虫飞行的力学主要涉及空气动力学（高升力的产生），力能学（能耗）及飞行动力学（稳定性与控制）。在过去的十多年中，人们在高升力机理及能耗方面取得了较大的进展；但是在昆虫飞行动力学方面的研究还很少：对昆虫的动稳定性研究才刚起步，而对昆虫的控制的研究还没有开展。本文研究食蚜蝇悬停飞行的动稳定性和控制的问题。 推导了昆虫（身体加拍动翅）的运动方程，即动力学方程（其与流体的动力学方程耦合，支配昆虫的运动）；用“刚体近似”的思想将运动方程简化为刚体（即刚性飞机）的运动方程；基于简化的运动方程和线化理论研究了食蚜蝇悬停飞行纵向动稳定性及控制问题（用CFD方法计算气动和控制导数，用特征模态分析方法求解运动方程）。研究工作有以下主要结果： 食蚜蝇悬停飞行的纵向扰动运动的特征时间远大于翅膀的拍动周期（是其37 倍），且简化假设中所忽略的量是高阶小量，故基于“刚体近似”的简化模型是合理的。 与最近他人报道的有关熊蜂悬停飞行的结果类似，食蚜蝇悬停飞行的纵向扰动运动由三个特征模态构成：不稳定振荡模态，快衰减模态和慢衰减模态（不稳定振荡模态主要为俯仰与水平方向的振荡运动，向前运动伴随上仰运动，向后运动伴随下俯运动；快衰减模态主要为单调下俯和向前或上仰和向后运动；慢衰减运动主要为下沉或上升运动）。特征值的近似解析表达式表明：水平方向的运动产生的与转动方向同向的力矩是产生不稳定振荡的物理原因。 食蚜蝇悬停飞行虽然是不稳定的，但是可控的，即用控制变量进行反馈控制可使悬停飞行动稳定。为控制不稳定振荡模态，以翅膀拍动平均角（或翅膀上下拍的攻角之差）反馈水平方向速度，身体俯仰角速度和身体俯仰角这三个量的某种组合便可；为控制慢衰减模态，以翅膀拍动幅度（或翅膀上下拍攻角）反馈垂直方向速度便可。悬停飞行是动不稳定的，但却是可控的，即加控制后是稳定的。这一点可以解释为何食蚜蝇既能十分稳定地悬停，同时机动性又很好的原因：稳定性不是固有的，当需要作高机动飞行时，关闭“控制装置”，使自己变为不稳定而易于机动的。 对于悬停到低速飞行的控制，改变翅膀拍动幅度（或等量改变翅膀上下拍攻角），该昆虫将从悬停进入等速垂直飞行（上升或下降）；改变翅膀拍动平均角，该昆虫将向前（或向后）倾斜某一角度并进入等速水平前飞（或后飞）；适当选取翅膀拍动幅度（或翅膀上下拍攻角）和拍动平均角的改变的组合，该昆虫可从悬停进入任意方向的低速飞行。 （以上结果对微型飞行器的研制有重要意义：仿昆虫式微型飞行器可能是动不稳定的，会有很好的机动性，但须有增稳控制装置，才能稳定飞行。）