本刊记者  任 杰    

　　 吴江浩，汉族，1976年9月生。流体力学博士，教授，教育部全国百篇优秀博士学位论文获得者，北航蓝天新星，美国ISRN Aerospace Engineering期刊编委。2012年获教育部自然科学一等奖（排名第二）；2013年获国家自然科学二等奖（排名第二）。    

知识小卡片：

　　 雷诺数：流体力学中，雷诺数是流体惯性力与黏性力比值的量度，它是一个无量纲量。雷诺数较小时，黏滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因黏滞力而衰减，流体流动稳定，为层流；反之，若雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于黏滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场。    
　　 一群小飞虫扑动着翅膀，悄无声息地从你身边掠过，它们有着金属般的光泽和复杂机械结构的身躯。如果在几年之后你遇到这样的小飞虫，那你看见的的确不是科幻片中的场景，它们是正在逐步投入使用的机械昆虫。机械昆虫又名微型飞行器，在英文中有一个专门的名词MAV（Micro-air-vehicle）来称呼它们。
　　 有的研究人员甚至表示，最晚到2015年，低空微型飞行器将成为一些国家军方和警方的常备力量。越灵活的低空飞行器越具竞争优势，要想灵活，向大自然的昆虫和鸟儿学习是必由之路。仿生飞行将引发航空科学的巨大进步，世界各国学者都关注到了这一领域研究的巨大意义。
　　 北京航天航空大学吴江浩教授多年来从事昆虫飞行的力学机理及其在新概念仿生微型飞行器中的应用方面的研究工作。作为主要完成人，他参与研究的“昆虫飞行的空气动力学和飞行力学”项目喜获2013年度国家自然科学奖二等奖。 
　　 这个来之不易的表彰既是先进科研团队合作的努力成果，也与吴江浩孜孜不倦、锲而不舍的科研精神分不开。自从踏上这条探秘之路，他就不畏艰难坚持不懈地走在追寻的漫漫长路上。

抽丝剥茧  坚实积累攻掠科研阵地

　　 在上亿年的进化史中，昆虫经过自然界的不断优化选择，在其形态、运动方式以及利用“新奇”的空气动力学原理方面，达到了完美的程度。可以说它们是自然界飞行的佼佼者，它们就是大自然创造的“微型飞行器”。
　　 “这是发展MAV技术必须加以借鉴的。”吴江浩说。“对于MAV，若采用传统的气动布局和飞行方式，会产生升力不足、效率低、稳定性差和控制困难等一系列问题。因而，为了发展MAV，空气动力学家应借鉴昆虫飞行的高升力机理来寻求空气动力学的新概念。另一方面，生物学家也需要通过了解昆虫飞行的高升力机理来研究它们的生理学、行为学、生态学和进化。”
　　 吴江浩介绍说，弄清楚昆虫飞行的高升力机理十分必要，昆虫飞行的真正奥秘在于翅膀的结构以及翅膀的拍动方式。昆虫拍击翅膀的频率很高，需要耗费巨额的能量。因此，对于研制MAV的空气动力学家和研究昆虫生理学的生物学家而言，弄清昆虫翅拍动的比功率如何、机械或生化效率如何、肌肉弹性储能如何等与飞行能耗机制相关的问题是十分重要的。
　　 基于此，自2000年起，吴江浩所在课题组开展了昆虫飞行的高升力机理和能耗机制研究。多年以来，脚踏实地，聚河成海，有丰富的经验做基础，一个又一个挑战放马过来，他早已成竹在胸。基于精细的数值模拟和涡动力学理论分析，他们率先揭示了昆虫前飞时拍动翅产生非定常高升力的机理。
　　 此外，他们还揭示了昆虫翅产生高升力的支配参数，发现存在“临界雷诺数”。同时提出了研究昆虫自由悬停飞行的新方法，推导出昆虫身体和拍动翅耦合运动的动力学方程，首次采用CFD（计算流体力学）方法直接数值求解动力学方程和流体动力学方程的耦合方程组，得到了昆虫自由悬停飞行运动的周期解。通过分析气动力的时变过程与身体振荡运动的耦合关系发现，身体的水平振荡运动由两部分组成。这些工作为研究昆虫飞行的动稳定性及控制奠定了坚实基础。
　　 通过对不同昆虫悬停飞行的研究，准确的得到了生物学家们十分关心的昆虫的生化/机械效率；解释了昆虫为何常常在从悬停到中等速度范围内的任一速度下作长时间飞行，而不像飞机那样只在某一速度下作长时间飞行。另外，通过对昆虫自由悬停飞行的研究还揭示了在真实飞行中昆虫翅的拍动参数组合是使其能耗接近于最小的，且这些参数的值使其用于从悬停到机动飞行控制仍有余量。

协力同心 潜心研究终得开花结果

　　 飞行是昆虫的看家本领。因为会飞行，昆虫在捕食、避敌、扩大分布和求偶等方面比其他动物更具有竞争力。这也是昆虫之所以能在生物界占据重要位置的主要原因。
　　 昆虫经过漫长的进化过程，获得了令人惊叹的飞行技巧。其在飞行过程中表现出来的高超技艺，令现有的各种飞机相形见绌。昆虫在迁飞过程中表现出极好的持久性，可以持续数小时飞行，同时可以在飞翔过程中表现出高度的灵活性。
　　 因此，在弄清了昆虫为什么能飞和飞行耐久性好（能效高）两个问题之后，平衡飞行的问题解决了；那么，揭示昆虫为什么能飞的好就是需要解决的下一个问题了。这对MAV的研制提供了重要的动力学理论基础和工程指导意义。
　　 2008年，吴江浩将目光锁定于此，开始开展昆虫飞行的动稳定性和控制研究，潜心的研究终于开花结果。他们揭示了昆虫飞行的动稳定性特性，采用直接数值模拟的方法对研究昆虫飞行横向动稳定性的平均理论模型进行了验证。率先提出采用Floquet理论分析昆虫自由飞行的横纵向动稳定性特性。他们发现对于那些拍动频率相对较低且翅膀相对身体质量较大的昆虫（如：鹰蛾）需要用Floquet理论进行动稳定性分析，该理论对于昆虫的飞行控制研究十分必要。
　　 同时通过可控性分析表明，昆虫悬停飞行虽是动不稳定的，但是，是可控的。通过反馈适当的控制参数，可实现稳定的悬停飞行。这一结果的意义在于，它解释了昆虫为何悬停得很平稳，同时机动性也很好——系统是“固有”动不稳定的，飞行的稳定性是靠反馈控制实现的；需要做机动飞行时，“断开”增稳控制回路，系统回到“固有”动不稳定状态，从而十分容易改变状态，即机动性好。
　　 吴江浩在昆虫飞行的动稳定性和控制研究方面的论文多次被国际同行引用。英国牛津大学的生物学家Taylor在论文中使用吴江浩课题组提出的模型研究了另外一种昆虫飞行的动稳定性，得到的模态定性上与他们的结果一致。关于昆虫从悬停到小速度飞行的控制研究被比利时布鲁塞尔大学的Karásek教授在微型飞行器领域国际知名期刊的综述文章多次引用、描述和评价，全文对吴江浩的研究工作引用多达21次。作者认为“过去的研究无法直接给出稳定性导数，而Wu和Sun的工作做到了”，“Wu和Sun所采用的分析模型充分考虑了尾迹的影响，研究结果可以作为其他模型的参考”。

　　 心善渊，方显其博大。熟悉吴江浩的人都知道他是一个内心平和的人，从不轻言妄语，也不急功近利，时时处处都以一颗平常心面对挑战。也许在他自己的意识中，“吴江浩”可能只是个本分的科研人员、普通的教书匠，但是在映射出来的科技谱系中，他早已被打上了“时代先锋”的标志，以社会功勋之名。