《Aerospace》：Aerodynamic Characteristics and Static-Restoring Tendencies of a Hopea hainanensis-Inspired Double-Winged Samara at Different Attitudes
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低雷诺数（low-Reynolds-number）微型飞行器（micro aerial vehicles, MAVs）与轻量化部署系统要求气动构型能够提供垂直支撑并对姿态扰动产生良好的被动响应。带翼种子通过自转（autorotation）、翼面弯曲与质量分布延
低雷诺数（low-Reynolds-number）微型飞行器（micro aerial vehicles, MAVs）与轻量化部署系统要求气动构型能够提供垂直支撑并对姿态扰动产生良好的被动响应。带翼种子通过自转（autorotation）、翼面弯曲与质量分布延缓下落，为上述设计提供了天然模型。研究人员建立了仿海南坡垒（Hopea hainanensis）双翼翅果的三维模型，并在七个旋转姿态（?45°、?22.5°、?10°、0°、10°、22.5°和45°）及一个非旋转的90°参考状态下进行了稳态多重参考系（multiple-reference-frame, MRF）模拟。对比分析了气动力、力矩、表面压力分布与流线结构。负向偏转可维持相对较高的垂直支撑力，而垂直力随正向偏转逐渐下降。?45°姿态兼具强垂直支撑、有限的侧向偏移和恢复力矩增量，在旋转算例中取得最高等权重评分。俯仰力矩响应随扰动幅值呈非线性变化，静态恢复趋势在中、大偏转幅度下更为显著。表面压力分布、流线结构与等效气动力作用线表明，翼面载荷的重新分布与有效力臂的迁移共同主导了力与力矩的变化。上述结果刻画了规定旋转下的准定常气动响应，为低雷诺数飞行器与轻量化部署系统的被动气动设计提供了指导。
**1. 研究背景与问题**
低雷诺数（low-Reynolds-number）微型飞行器（micro aerial vehicles, MAVs）在低速、小载荷、小尺度条件下，气动载荷、流动分离、能量利用与扰动响应变得极为敏感，主动控制负担加重。带翼种子通过自转（autorotation）、翼面弯曲与质量分布延缓下落，成为被动气动设计的天然模板。海南坡垒（Hopea hainanensis）的双翼翅果依靠风力传播，其滑翔与自转特性展现了自然选择形成的被动低速飞行能力。
已有研究集中于单翼枫树翅果的稳定自转、前缘涡增升、扰动恢复与工程仿生应用，但对龙脑香科双翼翅果的仿生气动研究较少；双翼翅果在非垂直下落、倾斜来流或不同空间姿态下的气动响应缺乏系统比较；不同姿态下双翼构型的气动力矩与稳定机制尚不明确。为此，研究人员建立海南坡垒仿生双翼翅果三维模型，在八个规定姿态下开展计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）模拟，系统比较力、力矩与流场特征，并评估准定常静态恢复趋势。
**2. 研究内容与总体结论**
研究人员对?45°、?22.5°、?10°、0°、10°、22.5°、45°七个旋转姿态及90°非旋转参考态进行稳态多重参考系（multiple-reference-frame, MRF）模拟。结果表明：姿态对载荷影响显著；负向偏转保持较高垂直支撑，正向偏转使垂直力逐步下降；?45°姿态在旋转算例中等权重综合评分最高；俯仰力矩响应随扰动幅值呈非线性，中等到大偏转下静态恢复趋势更明显。研究为低雷诺数飞行器与轻量化部署系统的被动气动设计提供了依据。
**3. 主要技术方法**
基于文献报道的海南坡垒翅果实测质量（完整果实质量均值0.87 g、翅面积12.83 cm2）与几何缩放确定模型质量，建立保留中央种体、双翼、弯折翼尖与翼折角的三维模型；采用圆柱形外域加内旋转域的计算域，入口速度1.8 m/s，出口压力0 Pa；以MRF方法施加4 rad/s的规定旋转效应；求解稳态雷诺平均Navier–Stokes（RANS）方程，采用k–ω SST湍流模型；经网格无关性验证选用765.43万单元的G2网格；通过五点局部二次回归、多尺度中心差分、等效气动力作用线重构与等权重综合评分分析姿态响应。
**4. 研究结果**
**4.1 不同姿态下的气动力**：七个旋转算例中，垂直力F
y在?45°至?10°维持高位平台（2.3308×10
?4~2.3617×10
?4 N），0°以后逐步下降，45°时较0°降低76.20%；?22.5°获得旋转算例最大垂直力。0°时F
y=2.24×10
?4 N，与模型重量（2.26×10
?4 N）相差0.89%，接近垂直力平衡。侧向力F
z在?45°接近零，22.5°达到1.1129×10
?4 N；90°非旋转参考态F
z=?1.1141×10
?4 N，呈横向漂移主导。
**4.2 气动力矩与静态俯仰恢复趋势**：绕x轴的俯仰力矩M
x（约10
?6 N·m）为主控力矩，M
y与M
z约10
?8 N·m。M
x从?45°的1.7122×10
?6 N·m降至0°的1.5341×10
?6 N·m，在10°小幅回升后降至45°的8.9814×10
?7 N·m，呈非线性非单调。相对0°基线，?45°、?22.5°、?10°、22.5°和45°的力矩增量为恢复方向，10°为扰动方向。
**4.3 无量纲姿态响应与局部气动导数**：在±22.5°区间对垂直力系数C
Y与侧向力系数C
Z作五点二次回归，R
2分别为0.9966与0.9953；0°处C
Y,θ=?0.3578 rad
?1、C
Z,θ=0.6918 rad
?1、俯仰力矩系数斜率C
mx,θ=0.2056 rad
?1。多尺度中心差分给出恢复刚度K
θ在对称半宽h=10°、22.5°、45°分别为?0.0722、0.4699、0.8705 rad
?1，表明±10°小扰动近中性甚至弱非恢复，而中、大扰动呈明显准定常恢复。等效作用线从?45°的(Δy
eq, Δz
eq)=(?0.072, ?7.260) mm迁移至22.5°的(3.872, ?5.791) mm，垂直距离d
⊥保持在6.464~7.260 mm；45°时合成载荷减弱使d
⊥放大至14.819 mm。等权重评分中?45°最高（J=0.764），?22.5°次之。
**4.4 不同姿态表面压力分布**：?45°维持强翼面压差，横向贡献近抵消；0°两侧压差分布不完全平衡，产生有限F
z；45°高压区收缩、压差减弱导致垂直支撑明显丧失；90°压力场集中于宽面迎风区，横向力超过垂直力。
**4.5 流线结构**：0°时根部向翼面与近尾迹形成螺旋低速区，外缘保持有效绕流；45°时高速流线主要沿外翼缘，另一侧根部形成紧凑回流区，与F
y下降一致；90°时大尺度螺旋结构减弱，以宽面暴露和局部分离为主；?45°时形成根部—翼面—尾迹的大范围相干螺旋结构，近翼尖出现三维卷起，在维持垂直支撑的同时横向分量相互抵消。
**5. 讨论总结与结论翻译**
讨论指出，恢复趋势与垂直支撑能力须分别评估；双翼翅果的仿生价值源于翼面展开、翼尖弯曲与扭转、根部安装、等效气动力线迁移与种体质量集中之间的气动力—力矩耦合。实际构型应协调翼形、根部连接与质量分布，使合力作用于相对重心有利的杠杆臂；翼尖弯曲与扭转、翼折角、根部安装角与刚度、翼厚及等效种体质量分布是设计低速缓降、抗扰动与结构简化构型的主要变量。未来工作应细化0°附近及负角范围的姿态采样，开展瞬态滑移网格、六自由度（six degrees of freedom, 6DOF）自由下落模拟与实验，并结合响应面或智能优化算法改进姿态与几何组合。
研究结论可概括为：建立了海南坡垒仿生双翼翅果三维模型，通过MRF模拟比较了规定姿态下的准定常气动力、力矩、表面压力分布与流线结构；?45°姿态综合评分最高，?22.5°垂直力最大，0°为运动学基线且接近力平衡；M
x为主控力矩，恢复刚度呈非线性幅值依赖；压力与流线场揭示了载荷方向与有效力臂随姿态迁移的机制；该结果为低雷诺数飞行器、无动力部署节点与轻量化环境传感器的被动气动设计提供了依据。
