嚴(yán)晴晴 沈海軍

?試飛團(tuán)隊(duì)合影。從左到右：汪成、鄒施睿、李浩（試飛員）、嚴(yán)晴晴、曹日興

大學(xué)的時(shí)光過(guò)得飛快，轉(zhuǎn)眼間到了大四的畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，這是驗(yàn)證我們學(xué)習(xí)成果的時(shí)候。

我們小組的四位同學(xué)聚在一起，商量著畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題。

作為同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院的學(xué)生、未來(lái)的航空人，我們小組的四位同學(xué)已經(jīng)在一起完成了許多飛行器相關(guān)課題，包括“未來(lái)飛行器設(shè)計(jì)”“流體力學(xué)仿真”“飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”等等，培養(yǎng)出了深厚的友誼和默契。在畢業(yè)之際，我們都希望能充分運(yùn)用自己所學(xué)的知識(shí)，將理論運(yùn)用于實(shí)踐，做一個(gè)綜合性的課題。

帶著這個(gè)想法，我們請(qǐng)教了課題組的指導(dǎo)老師——沈海軍教授，希望能在研究方向上獲得一些指點(diǎn)。

“我的一個(gè)研究生余翼，正在進(jìn)行仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)外形研究，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，”?沈海軍教授說(shuō)，“飛魚(yú)經(jīng)過(guò)自然選擇和進(jìn)化，其形態(tài)對(duì)于人類(lèi)的科技發(fā)展和產(chǎn)品設(shè)計(jì)有著相當(dāng)大的參考價(jià)值，你們可以嘗試研究制作仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)?！?h3>破題

沈海軍教授為我們點(diǎn)明了研究方向，我們感到設(shè)計(jì)制作一架全新的無(wú)人機(jī)，不僅能綜合運(yùn)用飛行器專(zhuān)業(yè)知識(shí)，更兼具趣味性和創(chuàng)新性。隨后我們便聯(lián)系了余翼學(xué)長(zhǎng)，希望能在他的成果基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展研究。

見(jiàn)到余翼學(xué)長(zhǎng)時(shí)，他正在做計(jì)算機(jī)仿真。他熱情地向我們介紹了仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)外形?！拔也捎玫氖悄嫦蛟O(shè)計(jì)的方法，通過(guò)非接觸式光學(xué)雙目立體掃描儀，對(duì)飛魚(yú)進(jìn)行了三維掃描，獲得了飛魚(yú)原始模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)?！?/p>

非接觸式光學(xué)雙目立體掃描儀是一種不直接接觸物體，通過(guò)兩部投影裝置拍照、計(jì)算來(lái)獲得目標(biāo)物體上某些點(diǎn)三維坐標(biāo)的設(shè)備。將獲得點(diǎn)的三維坐標(biāo)投影到三維空間里對(duì)應(yīng)的位置，進(jìn)而獲得的位置云圖數(shù)據(jù)，就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

“然后我通過(guò)Imageware軟件（著名的逆向工程軟件），經(jīng)過(guò)孔洞修復(fù)、補(bǔ)全軟件創(chuàng)建曲面的誤差、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)等步驟后，構(gòu)建出了飛魚(yú)模型的擬合曲面，也就是仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)的初步曲面外形，它能最大程度還原自然界中飛魚(yú)的外形?！?/p>

說(shuō)到這里，余翼學(xué)長(zhǎng)頓了頓，“但你們應(yīng)該都能看出，這個(gè)擬合曲面并不能直接用于現(xiàn)代飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)?！?/p>

“是啊，它的翼根與機(jī)身連接面太小，強(qiáng)度不夠?！蔽覀兊慕M員曹日興思考著說(shuō)。

“沒(méi)錯(cuò)，”余翼學(xué)長(zhǎng)點(diǎn)了點(diǎn)頭，“所以我用現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)理念，對(duì)它的氣動(dòng)外形進(jìn)行了改良?！?氣動(dòng)外形是指在氣體介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的物體，為減少運(yùn)動(dòng)阻力，而采用的適合在該介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)的外形。

在形態(tài)提取與設(shè)計(jì)過(guò)程中，余翼學(xué)長(zhǎng)用自然界中飛魚(yú)胸鰭的投影圖來(lái)構(gòu)建機(jī)翼，采用了統(tǒng)一的翼型GAW-1（一種用于通用航空飛機(jī)的先進(jìn)翼型）;水平尾翼則采取了0度上反安裝角。

機(jī)翼安裝在機(jī)身上的角度稱(chēng)為安裝角，它是機(jī)翼與水平線(xiàn)所成的角度，安裝角向上的稱(chēng)為上反角。為了保持飛魚(yú)的外觀，機(jī)身保留了背部增穩(wěn)尾及臀部增穩(wěn)尾，這可增加飛機(jī)在飛行過(guò)程中的穩(wěn)定性。

改良后的仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)外形，既保留了自然界中飛魚(yú)的靈動(dòng)，又增添了穩(wěn)重的色彩。

“得到仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)氣動(dòng)外形后，我使用電腦軟件Fluent（流體仿真軟件）來(lái)計(jì)算氣動(dòng)性能，這就是我的仿真結(jié)果?！庇嘁韺W(xué)長(zhǎng)點(diǎn)開(kāi)圖片給我們展示，“讓人驚喜的是，仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)具有較優(yōu)的氣動(dòng)性能，最大升力系數(shù)為1.6，失速迎角可以達(dá)到27°，最大升阻比高達(dá)26?！鄙ο禂?shù)越大，飛機(jī)可以爬升得越高，回轉(zhuǎn)時(shí)間也越短。大的失速迎角可以讓飛機(jī)飛行時(shí)更加靈活機(jī)動(dòng)。升阻比則是升力與阻力的比值，該值愈大說(shuō)明飛行器的空氣動(dòng)力性能愈好。

在余翼學(xué)長(zhǎng)的介紹中，我們還詳細(xì)了解了仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：在低速飛行環(huán)境下能夠更好地獲得升力;具有較強(qiáng)的抗失速特性，在飛行過(guò)程中更加穩(wěn)定和可靠;尾部不容易出現(xiàn)氣流的分離，具有減小阻力的特性;機(jī)身上部會(huì)出現(xiàn)氣流流速較快、壓力較低的區(qū)域，能夠產(chǎn)生額外的升力，對(duì)于整體升阻特性有積極的貢獻(xiàn)。簡(jiǎn)而言之，就是仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)具有優(yōu)秀的氣動(dòng)外形。

“我希望能制造出仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)，但礙于時(shí)間和精力沒(méi)辦法付諸實(shí)踐，你們?cè)敢獍押罄m(xù)的研究作為畢設(shè)課題嗎？”

聽(tīng)余翼學(xué)長(zhǎng)這么說(shuō)，我們都有些興奮，“既然仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)擁這么優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)外形，我們?cè)敢鈱?duì)它的內(nèi)部構(gòu)造開(kāi)展研究設(shè)計(jì)，希望能成功試飛！”

制作

確定了畢設(shè)題目，我們便分工行動(dòng)。

曹日興負(fù)責(zé)用CATIA軟件（一款機(jī)械加工設(shè)計(jì)軟件）進(jìn)行內(nèi)部構(gòu)造的設(shè)計(jì)，建模過(guò)程為：機(jī)身隔框→機(jī)身主梁→機(jī)翼→尾翼。

在設(shè)計(jì)之初，我們便考慮到了激光切割機(jī)尺寸及無(wú)人機(jī)的裝配運(yùn)輸問(wèn)題，決定將其設(shè)置為可拆分結(jié)構(gòu)。曹日興將機(jī)身內(nèi)部設(shè)計(jì)成14個(gè)機(jī)身隔框，隔框結(jié)構(gòu)是飛機(jī)中常用的主要傳力及承力結(jié)構(gòu)。

拆分面被設(shè)計(jì)在機(jī)翼中段的七八隔框之間。事實(shí)證明，拆分后的無(wú)人機(jī)可以放在汽車(chē)后備廂，大大降低了運(yùn)輸成本。

為了符合飛魚(yú)的外形特征，無(wú)人機(jī)的水平尾翼被大幅前移;為了保留飛魚(yú)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，尾翼采用了全動(dòng)垂尾，整個(gè)垂尾面都是可活動(dòng)的。如此一來(lái)，原來(lái)的安定面和舵面被整合到一起，即整個(gè)垂尾只有一個(gè)面，這個(gè)面既具有安定面的穩(wěn)定功能，同時(shí)也具有舵面的調(diào)節(jié)功能。

鄒施睿進(jìn)行的是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，是無(wú)人機(jī)安全性和可靠性的保證。

“咦？”鄒施?？粗鳤NSYS軟件（有限元分析軟件，可用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析）的分析結(jié)果皺了皺眉，“這個(gè)機(jī)翼結(jié)構(gòu)不太行?！?p>

待掃描的冷凍飛魚(yú)

飛魚(yú)原始模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

曹日興聞聲便探過(guò)頭去：“哪里有問(wèn)題嗎？”

“你看，機(jī)翼最大位移出現(xiàn)在最外側(cè)翼肋面的連接處，也就是翼尖位置，位移量為7.44mm，是不是有點(diǎn)過(guò)大了？而且機(jī)翼的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于層板的許用應(yīng)力，造成了強(qiáng)度的浪費(fèi)?！?/p>

“嗯，你說(shuō)得對(duì)，看來(lái)結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化?！?曹日興打開(kāi)圖紙準(zhǔn)備進(jìn)行修改，此時(shí)，我和汪成湊過(guò)頭去。

“我對(duì)結(jié)構(gòu)也有一點(diǎn)兒看法，”此時(shí)的我已經(jīng)提取了外形數(shù)據(jù)，準(zhǔn)備進(jìn)行穩(wěn)定性仿真，“飛魚(yú)外形的橫向穩(wěn)定性由背鰭和臀鰭控制，因此這兩處應(yīng)該進(jìn)行加固。還有副翼、垂尾，它們是改變飛行姿態(tài)的主要操縱面，也應(yīng)該加固?！?/p>

我的話(huà)音剛落，汪成就開(kāi)口道：“還有這里?！彼赶驒C(jī)身的2號(hào)隔框;“這里與電機(jī)直接相連，承受電機(jī)的主要拉力，需要加固，我建議采用4mm椴木層板。”

“另外，小曹同學(xué)，我需要估算無(wú)人機(jī)重量，以選擇電機(jī)和螺旋槳?！必?fù)責(zé)動(dòng)力系統(tǒng)和電子設(shè)備的汪成說(shuō)。

“我也需要無(wú)人機(jī)重量和降落的加速度，來(lái)進(jìn)行起落架強(qiáng)度分析。”鄒施?？聪蛭液筒苋张d。

小曹聞言和我相視一笑，初步的氣動(dòng)和結(jié)構(gòu)分析是后續(xù)工作開(kāi)展的基礎(chǔ)，前期我們倆是最為忙碌的。

由于我們四人工作的側(cè)重點(diǎn)不同，相互之間的協(xié)調(diào)妥協(xié)是少不了的。例如汪成重視續(xù)航性能，就要強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)減重;而鄒施睿重視結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，要對(duì)主承力部件進(jìn)行加強(qiáng);我為了氣動(dòng)外形的流暢，希望增加邊肋、半肋;曹日興為了裝配時(shí)部件不相互干涉，需要減少部分多余約束……

我們小組四人就像四個(gè)微型的飛機(jī)設(shè)計(jì)部門(mén)，在不斷地爭(zhēng)論和協(xié)調(diào)中，仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)的雛形漸漸完善，性能一步步優(yōu)化。

經(jīng)過(guò)兩個(gè)月的努力，機(jī)身設(shè)計(jì)終于定稿，100余個(gè)部件已經(jīng)萬(wàn)事俱備，只欠“制作”。

激光切割材料零件

貼迷彩貼紙

畢設(shè)答辯

曹日興將三維CAD模型各部件投影成二維工程圖，便得到了激光切割的零件加工圖紙，再經(jīng)過(guò)激光切割，得到激光切割飛機(jī)模型零件。我們對(duì)零件進(jìn)行組裝、膠水固定、鋪設(shè)蒙板、打磨、貼迷彩蒙皮、加裝動(dòng)力裝置與控制系統(tǒng)后，一架仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)便大功告成。

完成后的仿飛魚(yú)無(wú)人機(jī)外形線(xiàn)條流暢，結(jié)構(gòu)牢固。它的翼展1.5米、身長(zhǎng)1.8米，采用后三點(diǎn)起落架布局，安裝了雙葉高效率螺旋槳，由一枚大功率電機(jī)和6S鋰電池（22.2V電壓）提供動(dòng)力。

試飛

制作完成后，下一步就是試飛。經(jīng)沈海軍老師的建議，我們把試飛地點(diǎn)定在上海松山區(qū)佘山附近的玄風(fēng)航空飛行基地。該飛行基地是上海地區(qū)政府指定的試飛點(diǎn)，擁有一條200米的跑道，以及一片寬闊的空域，完全能滿(mǎn)足試飛需求。

沈老師還為我們介紹了一位資深飛行員——李浩。李老師擁有專(zhuān)業(yè)的飛行執(zhí)照，他豐富的飛行經(jīng)驗(yàn)?zāi)転槲覀兊脑囷w保駕護(hù)航。

試飛現(xiàn)場(chǎng)，在緊張的準(zhǔn)備工作與調(diào)試完成后，飛機(jī)在地面滑跑約50米后達(dá)到起飛速度，經(jīng)過(guò)3秒左右的爬升后，到達(dá)30米的安全飛行高度，在空中繞場(chǎng)飛行。平飛速度約為70千米每時(shí)，巡航迎角保持在5°，飛行姿態(tài)穩(wěn)定。

在前期飛行中，仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)的轉(zhuǎn)彎姿態(tài)都比較順滑，在最后一次轉(zhuǎn)彎時(shí)，無(wú)人機(jī)受側(cè)風(fēng)影響，機(jī)體左右搖擺，看得大家心驚不已。

無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定性是由我負(fù)責(zé)的，它的各項(xiàng)穩(wěn)定仿真結(jié)果不僅符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，更是稱(chēng)得上優(yōu)秀，我充分相信它的“實(shí)力”，并不怎么擔(dān)心。

果不其然，仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)在平飛后很快恢復(fù)了飛行姿態(tài)。

降落階段，在李老師的操作下，無(wú)人機(jī)對(duì)準(zhǔn)跑道，經(jīng)過(guò)6秒下降到2米左右，以8米/秒的速度貼地飛行，最終以平穩(wěn)的姿態(tài)在跑道上降落。

試飛的成功讓我們興奮不已，余翼學(xué)長(zhǎng)也在第一時(shí)間發(fā)來(lái)了祝賀。在理論模擬和驗(yàn)證機(jī)制作試飛過(guò)程中，仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)都表現(xiàn)出了優(yōu)秀的性能，我們的成果有望運(yùn)用于未來(lái)的無(wú)人飛行器設(shè)計(jì)乃至小型有人飛行器設(shè)計(jì)中。

“研制仿生飛魚(yú)無(wú)人機(jī)，并讓其飛上藍(lán)天，是一件激動(dòng)人心的事。這項(xiàng)工作展示了仿生飛行學(xué)的神奇魅力，對(duì)于發(fā)展和設(shè)計(jì)新型飛行器有重要價(jià)值?！鄙蚝＼娎蠋煴硎?。

責(zé)任編輯：曹曉晨