报告摘要：

以食蚜蝇为模型昆虫，进行实物观测，理论分析和数值模拟，系统地研究了其悬停飞行时的空气动力学和飞行动力学问题，为微型飞行器提供力学基础理论，同时，为昆虫的生物学研究提供力学依据。

首先，对食蚜蝇的悬停飞行进行了实物观测，了解其翅膀，身体及身体各部分的运动情况，为建立动力学模型提供依据。

然后，推导了昆虫（身体和拍动翅）的动力学方程，其与流体力学方程（N-S方程）一起，构成昆虫运动的基本方程组。简化理论模型应基于这组方程来导出；直接数值模拟则是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。

其次，在“身体运动（扰动运动）为慢变量，翅膀拍动为快变量”的假设下，将拍动运动与身体运动解耦，获得了研究动稳定性的简化理论模型。其结果表明：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；水平振荡运动和俯仰振荡运动的耦合是产生动不稳定的原因。从而飞行是动不稳定的。

再次，探讨昆虫飞行的增稳控制问题。上述研究中的动稳定性是指昆虫的“固有”稳定性。由观察知，昆虫可作十分“稳定”的悬停。显然，它们是不断地调整其翅膀的运动参数以抑制扰动运动的增长，才得以稳定地悬停的。基于可控性的研究表明，昆虫只需反馈水平方向速度，俯仰角速度和俯仰角度三个量中之一和垂直方向速度，以调节拍动幅度和拍动平均角，便可稳定地悬停。（昆虫的稳定飞行是由主动控制获得的；这一结果可解释昆虫为何悬停得很平稳，同时机动性也很好）。

之后，用耦合求解动力学方程和N-S方程的方法，数值模拟其扰动运动，一方面检验上述理论方法；另一方面，与上述理论方法互补，进一步研究昆虫的动稳定性和控制问题。

最后，再进行实物观测，定量测量拍动频率，拍动幅度等运动学参数，对上面有关动稳定性和增稳控制的理论结果进行检验：例如，理论表明飞行是动不稳定的，但是可控的，通过改变某拍动参数来控制最有效；哪么，观测结果应显示，昆虫的确是在不断调整该拍动参数的。

简介：

孙茂，“长江学者”特聘教授。美国普林斯顿大学航空工程系博士；美国马里兰大学做博士后。现任北京航空航天大学流体力学研究所所长，流体力学教育部重点实验室主任。

2000年入选长江学者奖励计划。曾获霍英东基金，国家教委跨世纪人才基金，国家杰出青年科学基金，国家自然科学基金重点项目等项目。主要从事动物飞行的生物运动力学研究，并取得了一系列国际公认的成果。