我教學生造了近百架飛機

沈海軍

同濟大學航空與力學學院教授，博士生導師，飛行器工程研究所所長。國際刊物《The Open Mechanical Engineering Journal》編委，教育部教學指導委員會委員。主持或參加過國家自然基金、航空科學基金等多個項目；已發表論文200余篇；出版有《納米科技概論》、《新型碳納米材料-碳富勒烯》和《近空間飛行器》等著作。

“飛人”背后的團隊

實驗室經常有各年齡段的孩子前往參觀

飛機調試

自同濟大學2012年微小飛機實驗室建成后，我已指導學生們設計、制作了近百架各類的飛機?，F如今，200多平方的實驗室已經被這些形形色色的飛機占得差不多了。隨便拿出一架，聊一聊它的來龍去脈，說一說它的設計制作過程，我都可以娓娓道來，講出一大段背后不為人知的故事。

巨型“飛人”

2014年7月，航空專業的大二學生參加了我的《微型飛機設計、制作》課程。這是一門全新的課程，開設的目的十分簡單，就是要讓航空專業的學生分組親身經歷一輪簡化版的飛機設計、研制、試飛全過程。這些年，航模圈內流行做一種所謂的“門板飛機”，顧名思義，就是在一塊方形泡沫板前方裝上電機，后方安裝上泡沫平尾和垂尾，再加裝電子裝備，最終構成一種簡易遙控飛機。這種飛機制作和構形簡單，深受航模發燒友喜愛。

受到門板飛機的啟發，那一年，周帥等同學決定研制一架巨型“飛人”遙控飛機。這是本次課程中最艱苦也最有趣的一組。之所以艱苦，一是這架飛機個頭實在太大了，人形飛機的臂長1.6米、高度約為3.5米，為普通人的兩倍，制作起來非常麻煩；事實上，這也是目前世界上最大的遙控電動人形飛機。二是這架飛機外形太奇特了，很難借鑒傳統的飛機設計制作經驗和參數。周帥坦言，他們最早的設想就是想將這種門板機改造成人形的巨型飛機，寄教于樂，增加飛機設計的趣味性、知識性、藝術性和挑戰性。

為了能成功制造出一架會飛的巨型遙控飛人飛機，周帥先用白紙勾勒出一個雙手下垂的巨型男子的輪廓，然后用5毫米厚的KT板裁剪出飛人的軀干?？紤]到軀干的外輪廓不規則，難以獲得足夠的升力，幾個人將飛人的胸部設計為雙層，類似于雙翼飛機，以增加升力面的面積。

飛機升力夠了，接下來要考慮的是飛人的穩定性和操控性。一般情況下，飛機若穩定性和操控性不佳，便會打著旋往地上栽。經過激烈的討論，周帥提議將“飛人”的兩條腿由平面被改為正交平面的立體結構，這相當于給飛機增加了兩個垂直安定面；同時將飛機小腿及腳外側設置成兩個操縱面，用來操縱飛機的橫滾和升降。按照上述方案，飛機框架搭建好后，周帥又帶領幾位組員給飛機加裝電子裝備。于是，“飛人”的胸部被“掏空”，安裝了發動機、放置了鋰電池組……

飛機正式試飛前通常有一個重要的環節，那就是無動力滑翔測試。為此，周帥將飛人拿到學院草坪上進行拋投，以考察飛機的滑翔行性能。幾次拋投下來，還真是發現了問題。周帥發現，飛機投出去老是“仰頭”，這說明飛機重心太靠后，于是同學們決定將飛機的鋰電池組向飛人的頭頂移動，經過四、五次反復調試，飛機的重心問題終于搞定。周帥還發現飛人的四肢太“軟”，剛度不夠。為此，同學們給飛人的雙臂各增加了一根14mm直徑的空心碳纖維桿，在小腿上增加了若干根輕木條予以加強。經過上述兩項大改進后，飛機骨架“硬朗”起來了，并表現出了優異的滑翔性能。

功夫不負有心人，經過十余天的設計、制作和調試，7月最后一天，周帥他們的飛機終于完成。仰望著世界上最大的“飛人”沖上云霄，看著圍觀者贊許的眼神，同學們的喜悅與自豪之情也隨著飛上了藍天。

復原千年瑪雅“黃金飛機”

公元500～900年，在南美哥倫比亞地區出現過一段人類文明，史稱古瑪雅文明。近年來，考古學家在瑪雅遺址中發掘出一些古瑪雅王族所用的黃金垂飾。這些飾品長約60cm，寬約50mm。令人驚奇的是，這些物品外型酷似飛機，機頭、座艙、主翼、機身、垂直尾翼、水平尾翼等一應俱全，形態符合航空力學理論，于是被稱為“古瑪雅黃金飛機”。

瑪雅飛機復原工作的主要負責人，2015屆同濟航空專業本科生王興虎同學說：“第一眼看到古代瑪雅黃金飾品圖片時我就被深深吸引了，那簡直就是一架飛機模型。于是心里就想，能不能制作一架試試，看能不能飛上天。”

有了想法的王興虎立馬召集人馬開工。2014從年9月份開始，他們就著手對這架古代“飛機”進行CAD三維建模。說實話，該項工作難度還是蠻高的，不過好在瑪雅人的“飛機”外形還算規整。幾位同學先將瑪雅“飛機”照片導入一種被稱作“幾何畫筆”的繪圖軟件當中，并利用該軟件的測量功能得到該“飛機”的翼展、弦長、機身長度、高度、機翼后掠角等重要參數。有了這些參數，再利用功能強大的CAD軟件Catia，他們在電腦里一點一點建立起關鍵點、特征曲面和三維實體……這是一個枯燥而極其耗費腦力的過程。一個月后，一架1：1的瑪雅“飛機”三維模型在電腦里完成了。利用實驗室的三維打印機，王興虎欣喜地得到了該物品的1：1三維打印實體模型。

有了瑪雅“飛機”的外形，王興虎接著要做的就是在電腦中采用切片法設計出了飛機的骨架等內部結構。該項工作極其艱苦卻非常講究。一方面，飛機內部“切”出來的框和翼肋不能太密，否則飛機做出來會太重，甚至無法飛行；另一方面，如果飛機內部結構“切”得太稀疏，飛機強度、剛度就可能會出現問題，外型上也會影響像真度。因此，該項工作需要兩個同學同步進行，即王興虎本人搞飛機結構CAD建模，同時另一位同學王曉正配合校核飛機結構的強度。當然，他們倆還要承擔與結構設計密切相關的操縱面設計、起落架設計等其他工作。

在飛機內部結構的虛擬設計過程中，王興虎最初的設想是讓機身和機翼分別擁有16個均布的框和翼肋。于是他依照該方案在電腦中對瑪雅飛機進行切片和CAD建模。一周后，該CAD模型建成；利用CAD軟件本身的重量估算功能，他很快又得到了飛機結構的大致重量：2公斤。2公斤重量加上電子裝備和電池，預計飛機的總重量會達到6公斤。6公斤！這對于一個中型航模來講顯然是太重了。與此同時，王曉正的強度校核工作初步結果也出來了：飛機結構強度過于富裕，飛機需要減重。

有了此前的建模經驗和強度分析結果，王興虎決定將機身的框數和翼肋數量均減少至11個。又是一輪新的切片、建模和強度校核；幾天的努力工作很快得到了回報：分析結果顯示，該飛機模型方案在滿足強度要求下總重量減輕了1/3，成功“瘦身”了。

值得一提的是，與上述飛機結構設計幾乎并行開展的還有另一項工作，那就是瑪雅飛機的氣動性能分析。為此，王興虎使用AVL軟件在電腦中進行了瑪雅飛機的計算流體力學建模與分析。由于原始的瑪雅“飛機”形象有些怪異：花邊狀狀的機翼前緣、凹凸不平的臉部圖案等特征，這些都均不符合現代流體力學原理，于是在建模中，王興虎不得不對這些細節進行簡化、光順處理，這又大大增添了建模的難度……

事實上，飛機的設計是一個復雜的系統工程；上述的幾項主要工作互相關聯而又互相制約。首先，飛機模型的內部結構必須要滿足強度指標，同時幾何外形還需要滿足空氣動力學要求。一旦構強度不夠，飛機飛到空中可能在氣動載荷作用下被隨時破壞；相反，若強度過于富裕，則又意味著飛機結構的設計過于笨重，氣動升力無法托起飛機的重量。其次，通過飛機的氣動分析可以得到氣動載荷，而氣動載荷又是開展結構強度校核工作的原始數據基礎。繁雜的工作相互交織，大量信息需要權衡、綜合，甚至互相妥協。每項工作的每一個細節，都直接關系到后續飛機制作與試飛的成敗，極大地考驗著王興虎等幾位同學的能力。不過，前期的理論分析結果還是令人欣慰的：這架古代“飛機”具有非常出色的氣動性能和穩定性。這令王興虎幾人興奮不已。

由于先前做了充分的詳細設計，飛機制作充其量只能算體力活了。按照先前的電子圖紙，王興虎在激光雕刻機上用輕木等材質加工出該飛機的部件；然后，制作型架組裝飛機機翼、機身；再下來是安裝起落架、動力系統和調試飛機……歷經了8個月，一架1：25的放大版古瑪雅飛機終于完成。它身披金黃色蒙皮，翼展1.5米，雙三角翼布局，升力體設計，地面遙控，形態惟妙惟肖。

2015年4月21日，王興虎等幾位同學將這架“沉睡了1500年”的古代飛行器裝運到了上海國際賽車場進行試飛。當操縱手將油門加到最大時，這架“古代飛機”沖出跑道，一躍而起，直沖云霄。在飛行數分鐘的飛行過程中，該飛機甚至還做出了俯沖、側飛等高難度動作。最后，在大家的歡呼雀躍中，這架古代飛機平穩落地，安然無恙。

責任編輯：曹曉晨