昆虫悬停飞行的动稳定性研究

摘要

本文研究昆虫(熊蜂)悬停飞行的纵向动稳定性问题.用数值求解N-S方程的方法计算拍动翅及身体的气动导数;用特征模态分析方法求解运动方程.该昆虫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,周期为0.32s,倍幅时间为0.1s;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,半幅时间为0.023s.慢衰减运动主要为下沉(或上升)运动,半幅时间为0.41s.由于不稳定振荡模态的存在,该昆虫的悬停飞行是动不稳定的,但其保持悬停状态并不困难,因为倍幅时间(0.1s)是拍动周期(6.3ms)的16倍,这对该昆虫来说是较慢的(昆虫可在远小于拍动周期的时间内调整其翅膀的运动).