北航获得的吉尼斯世界纪录证书。本文图片来自北航。
扑翼飞行(如鸟类般扇动翅膀飞翔)是生物的飞行方式,人类对其探索长达数千年。此前扑翼飞行器飞行时间均较短,大多只能达到半小时左右,显著落后于常规布局的其它类型飞行器,实际应用意义不高,因此扑翼的吉尼斯航时纪录一直处于空缺状态。
北航前沿科学技术创新研究院新概念飞行器团队由焦宗夏教授、赵龙飞副研究员牵头,已在扑翼领域深耕近10年,目标是突破扑翼实用性分析与设计方法,争取在扑翼飞行性能上取得本质突破。
2021年10月,该团队进行了吉尼斯挑战申请。为了纪录立项,吉尼斯纪录机构对国际上现存人造扑翼飞行器进行了充分调研,最终认为如果挑战者扑翼飞行器可以飞行1个小时,将对现存扑翼飞行器形成绝对续航优势,并具有较好的实际应用前景,因此吉尼斯纪录官方将续航1个小时作为扑翼首个航时纪录的立项指标,并将纪录名称确定为“扑翼式无人机单次充电飞行时间最长”。
扑翼式无人机像鸟一样在空中飞翔。
受到疫情、限飞政策与天气影响,最终的扑翼飞行挑战时间确定于今年7月21日。挑战的全过程严格按照挑战规则,且挑战过程由多位第三方见证人和计时员出席,并多机位进行全程视频记录。
挑战中,当扑翼飞行器成功突破1个小时的续航后,北航团队发现飞行器所剩电力仍然非常充分,于是决定尽可能耗尽电池电量,探索飞行器的极限航时,最后安全降落。
经吉尼斯纪录中国代理与伦敦总部联合审查认证挑战通过,最终飞行器续航时间被认定为1小时31分04秒98。
扑翼式无人机。
据北航相关负责人介绍,近百余年间,航空技术高速发展,在具备了先进的理论工具与高效分析手段后,研究人员逐渐发现,即便最先进的飞行器,在很多方面还是与自然界的鸟类、昆虫等飞行生物相差甚远。由此,扑翼研究近年来重新成为研究热点。然而扑翼飞行机理复杂,控制困难,对机械系统要求极高,人造扑翼欲实现飞行能力,困难重重。
北航团队首创“扑翼推进波”理论,并攻破了扑翼正向优化设计难题。相关理论多次发表于AIAA Journal等航空航天顶刊,并对扑翼飞行器的研发起到关键指导性作用。该团队基于上述理论成果进行了翼展20cm至2m的系列扑翼飞行器的样机研制与飞行试验。
本次申请航时纪录的双关节大鸟型扑翼飞行器,其理论飞行效率超过大部分固定翼飞机,于2021年初进行航时初步测试,实际飞行时间达到53分钟。经过动力系统与机翼动力学进一步优化调整,北航团队实现了扑翼机性能的再一次跃升,达成了当前纪录挑战的最佳状态。
在扑翼飞行器研究中,该团队教师充分调动了学生的积极性与创造性。飞行器研制团队学生包含博士生、硕士生与本科生共12人,带动多项硕博士课题,本科生的创造性中间成果多次获得科技竞赛奖项。