我們做了一架仿生飛魚無人機

嚴晴晴 沈海軍

?試飛團隊合影。從左到右：汪成、鄒施睿、李浩（試飛員）、嚴晴晴、曹日興

大學的時光過得飛快，轉眼間到了大四的畢業設計階段，這是驗證我們學習成果的時候。

我們小組的四位同學聚在一起，商量著畢業設計的課題。

作為同濟大學航空航天與力學學院的學生、未來的航空人，我們小組的四位同學已經在一起完成了許多飛行器相關課題，包括“未來飛行器設計”“流體力學仿真”“飛行器結構設計”等等，培養出了深厚的友誼和默契。在畢業之際，我們都希望能充分運用自己所學的知識，將理論運用于實踐，做一個綜合性的課題。

帶著這個想法，我們請教了課題組的指導老師——沈海軍教授，希望能在研究方向上獲得一些指點。

“我的一個研究生余翼，正在進行仿生飛魚無人機的氣動外形研究，已經取得了很大的進展，”?沈海軍教授說，“飛魚經過自然選擇和進化，其形態對于人類的科技發展和產品設計有著相當大的參考價值，你們可以嘗試研究制作仿生飛魚無人機?！?h3>破題

沈海軍教授為我們點明了研究方向，我們感到設計制作一架全新的無人機，不僅能綜合運用飛行器專業知識，更兼具趣味性和創新性。隨后我們便聯系了余翼學長，希望能在他的成果基礎上進行拓展研究。

見到余翼學長時，他正在做計算機仿真。他熱情地向我們介紹了仿生飛魚無人機的氣動外形。“我采用的是逆向設計的方法，通過非接觸式光學雙目立體掃描儀，對飛魚進行了三維掃描，獲得了飛魚原始模型的點云數據?！?/p>

非接觸式光學雙目立體掃描儀是一種不直接接觸物體，通過兩部投影裝置拍照、計算來獲得目標物體上某些點三維坐標的設備。將獲得點的三維坐標投影到三維空間里對應的位置，進而獲得的位置云圖數據，就是點云數據。

“然后我通過Imageware軟件（著名的逆向工程軟件），經過孔洞修復、補全軟件創建曲面的誤差、數據精簡等步驟后，構建出了飛魚模型的擬合曲面，也就是仿生飛魚無人機的初步曲面外形，它能最大程度還原自然界中飛魚的外形?！?/p>

說到這里，余翼學長頓了頓，“但你們應該都能看出，這個擬合曲面并不能直接用于現代飛機的外形設計?！?/p>

“是啊，它的翼根與機身連接面太小，強度不夠。”我們的組員曹日興思考著說。

“沒錯，”余翼學長點了點頭，“所以我用現代飛機設計理念，對它的氣動外形進行了改良。”?氣動外形是指在氣體介質中運動的物體，為減少運動阻力，而采用的適合在該介質中運動的外形。

在形態提取與設計過程中，余翼學長用自然界中飛魚胸鰭的投影圖來構建機翼，采用了統一的翼型GAW-1（一種用于通用航空飛機的先進翼型）;水平尾翼則采取了0度上反安裝角。

機翼安裝在機身上的角度稱為安裝角，它是機翼與水平線所成的角度，安裝角向上的稱為上反角。為了保持飛魚的外觀，機身保留了背部增穩尾及臀部增穩尾，這可增加飛機在飛行過程中的穩定性。

改良后的仿生飛魚無人機外形，既保留了自然界中飛魚的靈動，又增添了穩重的色彩。

“得到仿生飛魚無人機氣動外形后，我使用電腦軟件Fluent（流體仿真軟件）來計算氣動性能，這就是我的仿真結果?！庇嘁韺W長點開圖片給我們展示，“讓人驚喜的是，仿生飛魚無人機具有較優的氣動性能，最大升力系數為1.6，失速迎角可以達到27°，最大升阻比高達26?！鄙ο禂翟酱?，飛機可以爬升得越高，回轉時間也越短。大的失速迎角可以讓飛機飛行時更加靈活機動。升阻比則是升力與阻力的比值，該值愈大說明飛行器的空氣動力性能愈好。

在余翼學長的介紹中，我們還詳細了解了仿生飛魚無人機的優點：在低速飛行環境下能夠更好地獲得升力;具有較強的抗失速特性，在飛行過程中更加穩定和可靠;尾部不容易出現氣流的分離，具有減小阻力的特性;機身上部會出現氣流流速較快、壓力較低的區域，能夠產生額外的升力，對于整體升阻特性有積極的貢獻。簡而言之，就是仿生飛魚無人機具有優秀的氣動外形。

“我希望能制造出仿生飛魚無人機，但礙于時間和精力沒辦法付諸實踐，你們愿意把后續的研究作為畢設課題嗎？”

聽余翼學長這么說，我們都有些興奮，“既然仿生飛魚無人機擁這么優秀的結構外形，我們愿意對它的內部構造開展研究設計，希望能成功試飛！”

制作

確定了畢設題目，我們便分工行動。

曹日興負責用CATIA軟件（一款機械加工設計軟件）進行內部構造的設計，建模過程為：機身隔框→機身主梁→機翼→尾翼。

在設計之初，我們便考慮到了激光切割機尺寸及無人機的裝配運輸問題，決定將其設置為可拆分結構。曹日興將機身內部設計成14個機身隔框，隔框結構是飛機中常用的主要傳力及承力結構。

拆分面被設計在機翼中段的七八隔框之間。事實證明，拆分后的無人機可以放在汽車后備廂，大大降低了運輸成本。

為了符合飛魚的外形特征，無人機的水平尾翼被大幅前移;為了保留飛魚的運動特點，尾翼采用了全動垂尾，整個垂尾面都是可活動的。如此一來，原來的安定面和舵面被整合到一起，即整個垂尾只有一個面，這個面既具有安定面的穩定功能，同時也具有舵面的調節功能。

鄒施睿進行的是結構強度分析，是無人機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，可用于飛機結構強度分析）的分析結果皺了皺眉，“這個機翼結構不太行?！?p>

待掃描的冷凍飛魚

飛魚原始模型的點云數據

曹日興聞聲便探過頭去：“哪里有問題嗎？”

“你看，機翼最大位移出現在最外側翼肋面的連接處，也就是翼尖位置，位移量為7.44mm，是不是有點過大了？而且機翼的最大應力遠遠小于層板的許用應力，造成了強度的浪費?！?/p>

“嗯，你說得對，看來結構需要優化?！?曹日興打開圖紙準備進行修改，此時，我和汪成湊過頭去。

“我對結構也有一點兒看法，”此時的我已經提取了外形數據，準備進行穩定性仿真，“飛魚外形的橫向穩定性由背鰭和臀鰭控制，因此這兩處應該進行加固。還有副翼、垂尾，它們是改變飛行姿態的主要操縱面，也應該加固?！?/p>

我的話音剛落，汪成就開口道：“還有這里?！彼赶驒C身的2號隔框;“這里與電機直接相連，承受電機的主要拉力，需要加固，我建議采用4mm椴木層板?！?/p>

“另外，小曹同學，我需要估算無人機重量，以選擇電機和螺旋槳?！必撠焺恿ο到y和電子設備的汪成說。

“我也需要無人機重量和降落的加速度，來進行起落架強度分析?！编u施睿看向我和曹日興。

小曹聞言和我相視一笑，初步的氣動和結構分析是后續工作開展的基礎，前期我們倆是最為忙碌的。

由于我們四人工作的側重點不同，相互之間的協調妥協是少不了的。例如汪成重視續航性能，就要強調結構減重;而鄒施睿重視結構強度，要對主承力部件進行加強;我為了氣動外形的流暢，希望增加邊肋、半肋;曹日興為了裝配時部件不相互干涉，需要減少部分多余約束……

我們小組四人就像四個微型的飛機設計部門，在不斷地爭論和協調中，仿生飛魚無人機的雛形漸漸完善，性能一步步優化。

經過兩個月的努力，機身設計終于定稿，100余個部件已經萬事俱備，只欠“制作”。

激光切割材料零件

貼迷彩貼紙

畢設答辯

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，再經過激光切割，得到激光切割飛機模型零件。我們對零件進行組裝、膠水固定、鋪設蒙板、打磨、貼迷彩蒙皮、加裝動力裝置與控制系統后，一架仿生飛魚無人機便大功告成。

完成后的仿飛魚無人機外形線條流暢，結構牢固。它的翼展1.5米、身長1.8米，采用后三點起落架布局，安裝了雙葉高效率螺旋槳，由一枚大功率電機和6S鋰電池（22.2V電壓）提供動力。

試飛

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

沈老師還為我們介紹了一位資深飛行員——李浩。李老師擁有專業的飛行執照，他豐富的飛行經驗能為我們的試飛保駕護航。

試飛現場，在緊張的準備工作與調試完成后，飛機在地面滑跑約50米后達到起飛速度，經過3秒左右的爬升后，到達30米的安全飛行高度，在空中繞場飛行。平飛速度約為70千米每時，巡航迎角保持在5°，飛行姿態穩定。

在前期飛行中，仿生飛魚無人機的轉彎姿態都比較順滑，在最后一次轉彎時，無人機受側風影響，機體左右搖擺，看得大家心驚不已。

無人機的穩定性是由我負責的，它的各項穩定仿真結果不僅符合設計標準，更是稱得上優秀，我充分相信它的“實力”，并不怎么擔心。

果不其然，仿生飛魚無人機在平飛后很快恢復了飛行姿態。

降落階段，在李老師的操作下，無人機對準跑道，經過6秒下降到2米左右，以8米/秒的速度貼地飛行，最終以平穩的姿態在跑道上降落。

試飛的成功讓我們興奮不已，余翼學長也在第一時間發來了祝賀。在理論模擬和驗證機制作試飛過程中，仿生飛魚無人機都表現出了優秀的性能，我們的成果有望運用于未來的無人飛行器設計乃至小型有人飛行器設計中。

“研制仿生飛魚無人機，并讓其飛上藍天，是一件激動人心的事。這項工作展示了仿生飛行學的神奇魅力，對于發展和設計新型飛行器有重要價值。”沈海軍老師表示。

責任編輯：曹曉晨