蜜蜂腹部变形机制及其在变体飞行器中的应用

Aerospace vehicle is a new style of plane designed to accomplish re-entry missions. As the aerospace vehicle experiences extreme aerodynamic load between atmosphere and outer space, the morphing structure with higher adaptability of aerodynamic configuration will be developed in the future. Mimicking the morphing structure of flying insects is an effective way of developing the structure which can reconfigure the aerodynamic profile of the vehicle autonomously. As a typical flying insect, a honeybee has a morphing abdomen, which provides some new thoughts for development of aerospace vehicle. However, it is reported that the deformation mechanism of honeybee's abdomen hasn't been clearly identified, which limits the bionic-based design of morphing structure. In this project, we research the morphing mechanism of honeybee's abdomen comprehensively on the basis of the synergistic effect of the muscles, terga/sterna and the folded intersegmental membrane. Combined with the methods of the mechanism alienation and topological merging, a new morphing bionic structure is proposed and applied to the design of morphing aerospace vehicle. The study will systematically reveal the deformation mechanism of the insect morphing structure and enrich the method of the insect-inspired bionic design and furthermore enhance the performance of aerospace vehicle.

空天飞行器是一种在大气层和太空中飞行的新型飞行器。由于该飞行器要经历在大气层和太空中飞行，并再入大气层等复杂环境，在不同飞行阶段有不同的最优气动构形要求。借鉴飞行昆虫的可变体结构，探索能自主地改变气动外形的空天飞行器结构是一个解决变体飞行器结构设计的有效途径。蜜蜂是典型的具有飞行功能的腹部变体结构昆虫，其腹部构形的变化与空天飞行器头锥变形要求一致。本项目以蜜蜂为研究对象，通过观测蜜蜂腹部的宏观动度以及微观变形，分析蜜蜂背腹板连接关系以及节间的微结构特征，研究基于肌肉、壳体和节间褶协同作用的变形机制；采用机构异化与拓扑合并等手段，设计仿蜜蜂腹部的头锥变体结构，提出空天飞行器头锥变体结构仿生设计的理论与方法。该项研究属于探索性研究，在揭示蜜蜂腹部变形机制的同时，将对我国空天飞行器变体结构设计具有参考价值和重要意义。

空天飞行器是一种在大气层和太空中飞行的新型飞行器。由于该飞行器要经历在大气层和太空中飞行，并再入大气层等复杂环境，在不同飞行阶段有不同的最优气动构形要求。借鉴飞行昆虫的可变体结构，探索能自主地改变气动外形的空天飞行器结构是一个解决变体飞行器结构设计的有效途径。.本项目对蜜蜂腹部变形机制进行了系统研究，提出了具有变体头锥的空天飞行器构想，基于蜜蜂腹部变形机制，设计了头锥变体结构方案，研制了国际上第一个变体头锥原理样机，并进行了实验研究。本项目主要取得3项重要成果：蜜蜂腹部运动观测技术及蜜蜂腹部宏观动度分析方法、蜜蜂腹部连接的超微结构及其变形机理、仿蜜蜂腹部的变体头锥方案设计及实验验证。.为了观测自由飞行状态下蜜蜂腹部的宏观动度，研制了一种仿生态系统社会性昆虫养殖观察装置。运用高速摄影机对蜜蜂的飞行过程进行实时拍摄，选用Canny算子对蜜蜂腹部进行边缘提取，实现了对蜜蜂腹部变形运动的量化分析。.利用SEM/TEM观测蜜蜂腹节相邻背腹板间几丁质外壳-节间褶特殊连接结构，采用同步辐射光源相衬CT技术对蜜蜂腹部样本进行无损扫描，通过三维重构和肌肉驱动理论建模，揭示了蜜蜂分节式腹部的变形机理和节间褶在腹部弯曲变形中的特殊限位作用。采用图形拓扑理论分析了蜜蜂腹部背/背板、腹/腹板以及背/腹板的节间褶微观连接结构特性，提出了分布式肌肉驱动的蜜蜂腹部连接的等效机构。.结合蜜蜂腹部的变体结构，提出了从昆虫变体结构到头锥变体结构的机构异化方法，设计了仿蜜蜂腹部的飞行器变体头锥结构。结合气动分析结果，设计并绘制了仿蜜蜂腹部的飞行器变体头锥工程图；建立了缩比仿生变体头锥结构动力学仿真模型，分析了缩比仿生变体头锥结构物理样机的动力学性能。研制了变体头锥实物样机，开展了仿生变体头锥结构的变形尺度与运动学验证实验。该项研究揭示了蜜蜂腹部变形机制，提出了变体头锥技术，为空天飞行器颠覆性设计提供了有效方法。