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仿生推进技术

/bionic propulsion/
条目作者樊炜张祝军
条目作者樊炜

樊炜

张祝军

张祝军

最后更新 2023-10-25
浏览 148
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模拟水中生物的运动模式推进潜水器运动的技术。

英文名称
bionic propulsion
所属学科
海洋学

仿生推进技术包括仿鱼水下推进、仿生喷射推进、仿多足爬行动物水下推进、仿蠕虫水下推进等。现有仿鱼水下推进的研究占大多数。

仿鱼水下推进方式根据鱼类推进使用身体部位的不同来分类,主要分为身体/尾鳍(body and/or caudal fin; BCF)推进模式和中央鳍/对鳍(median and/or paired fin; MPF)推进模式。BCF推进模式是鱼类最常见的推进模式,通过波动或摆动身体的某部分或尾鳍,向后推动身体周围的水,借助反作用力产生推进运动。BCF推进模式是较优的推进模式,它可以产生较大的推进力,具备较优的加速和起动性能,能长时间以较高的速度巡游,有约85%的鱼类以BCF推进模式作为主要的推进方式。MPF推进模式以背鳍、臀鳍、胸鳍和腹鳍作为主要的推进部位,依靠多种柔性鳍产生不同方向的推进力。与BCF推进模式相比,虽然游动速度一般不高,但在低速场合下它具有较高的推进效率,优良的机动性和稳定性,抗干扰能力强,非常适用于对环境机动性要求较高的复杂应用场合,如在海洋极端环境下进行资源探测等。

仿生推进技术的研究可以追溯至19世纪初期。19世纪20年代左右就有学者针对鱼类游动机理开展研究。1952年,英国物理学家G.I.泰勒(Geoffrey Ingram Taylor,1886~1975)针对水生动物游动的流体动力学进行了定量分析。英国应用数学家J.莱特希尔(James Lighthill,1924~1998)于1960年提出细长理论,首次将空气动力学理论引入鱼类游动过程的研究中,建立了用于分析鱼类鲹科模式游动的数学模型。吴耀祖(1924~ )于1960年提出二维波动板理论,之后童秉纲(1927~2020)等人又建立了三维波动板理论,揭示了鱼类外形演化与游动方式之间的形态适应关系。上述理论主要适用于BCF推进模式的分析。而受到非定常流体动力学理论发展的制约,对MPF模式的研究开始相对较晚,在20世纪90年代流体可视化技术和生物实验测量技术迅速发展后才有明显进展。

仿生推进技术克服了传统螺旋桨推进技术所无法避免的空泡以及噪声问题,具备高推进效率、高机动性、低噪声等特点,有望在军事领域和海洋资源勘探领域得到应用。仿生推进技术依然处在技术研究阶段。

  • 敬军,胡刚义,许建,等.水下航行体应用鱼类仿生推进技术的试验研究.中国舰船研究,2007,2(6):16-23.

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