题目：熊蜂飞行动稳定性研究

昆虫与生俱来的、独特的高超飞行技巧带给人们很多启示。通过研究昆虫飞行，人们有可能造出微型飞行昆虫，这些人造微型飞行昆虫有着和自然界中真实的昆虫一样的高超飞行技巧，也有着微小的体积，可以在诸多方面为人们服务。在过去的十多年中，人们在昆虫飞行的空气动力学，力能学等方面做了很多工作并取得了较大的进展。但在飞行动力学（稳定性、控制）方面的工作却少的多。研究昆虫飞行动稳定性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，同时可以为人类制造微型拍动飞行器提供指导性意见。本文研究熊蜂飞行的动稳定性问题。用数值求解N-S方程的方法计算熊蜂拍动翅及身体上的气动力动导数；用特征模态分析的方法求解运动方程。熊蜂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，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，这种水平运动与俯仰运动的耦合产生的与转动方向同向的力矩，是不稳定的原因。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。导出的特征值近似解析表达式表明，Mu是影响不稳定振荡模态的首要因素；Zw是影响稳定慢衰减运动模态的首要因素。熊蜂飞行速度从悬停到4.5 m/s的变化过程中，运动模态发生了一系列的变化：从悬停到低速（ 3.75 m/s）时，不稳定性逐渐增强。熊蜂从中等速度到高速飞行的过程中，其纵向扰动运动由中性稳定变为不稳定的主要原因是以下两点： Mw在高速度下为正值且随前飞速度逐渐增大；前飞速度U不断增大。从悬停到中等飞行速度范围内，由于不稳定振荡模态的存在，熊蜂飞行是动不稳定的，但不稳定振荡模态的周期都很长，其扰动增长的倍幅时间也较长，可以说该昆虫悬停到中等飞行速度都是中性稳定的。这里的结果也许可解释熊蜂为何在较大的速度范围内飞行得很平稳，同时机动性也很好：扰动增长慢，易于调整翅的运动以抑制之（昆虫可在远小于拍动周期的时间内调整其翅膀的运动）；而稳定性弱或不稳定为高机动性提供了基础。当熊蜂高速飞行时，其飞行的不稳定性很强，十分不利于飞行。