沈海軍

同濟大學(xué)航空與力學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)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(xué)指導(dǎo)委員會委員。主持或參加過國家自然基金、航空科學(xué)基金等多個項目；已發(fā)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(jīng)常有各年齡段的孩子前往參觀

飛機調(diào)試

自同濟大學(xué)2012年微小飛機實驗室建成后，我已指導(dǎo)學(xué)生們設(shè)計、制作了近百架各類的飛機。現(xiàn)如今，200多平方的實驗室已經(jīng)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(shè)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(yè)的大二學(xué)生參加了我的《微型飛機設(shè)計、制作》課程。這是一門全新的課程，開設(shè)的目的十分簡單，就是要讓航空專業(yè)的學(xué)生分組親身經(jīng)歷一輪簡化版的飛機設(shè)計、研制、試飛全過程。這些年，航模圈內(nèi)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(gòu)成一種簡易遙控飛機。這種飛機制作和構(gòu)形簡單，深受航模發(fā)燒友喜愛。

受到門板飛機的啟發(fā)，那一年，周帥等同學(xué)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(tǒng)的飛機設(shè)計制作經(jīng)驗和參數(shù)。周帥坦言，他們最早的設(shè)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(shè)計的趣味性、知識性、藝術(shù)性和挑戰(zhàn)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。考慮到軀干的外輪廓不規(guī)則，難以獲得足夠的升力，幾個人將飛人的胸部設(shè)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(wěn)定性和操控性。一般情況下，飛機若穩(wěn)定性和操控性不佳，便會打著旋往地上栽。經(jīng)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(jié)構(gòu)，這相當(dāng)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(cè)設(shè)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(lǐng)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(fā)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(huán)節(jié)，那就是無動力滑翔測試。為此，周帥將飛人拿到學(xué)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(fā)現(xiàn)了問題。周帥發(fā)現(xiàn)，飛機投出去老是“仰頭”，這說明飛機重心太靠后，于是同學(xué)們決定將飛機的鋰電池組向飛人的頭頂移動，經(jīng)過四、五次反復(fù)調(diào)試，飛機的重心問題終于搞定。周帥還發(fā)現(xiàn)飛人的四肢太“軟”，剛度不夠。為此，同學(xué)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(jīng)過上述兩項大改進后，飛機骨架“硬朗”起來了，并表現(xiàn)出了優(yōu)異的滑翔性能。

功夫不負有心人，經(jīng)過十余天的設(shè)計、制作和調(diào)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(xué)們的喜悅與自豪之情也隨著飛上了藍天。

復(fù)原千年瑪雅“黃金飛機”

公元500～900年，在南美哥倫比亞地區(qū)出現(xiàn)過一段人類文明，史稱古瑪雅文明。近年來，考古學(xué)家在瑪雅遺址中發(fā)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(yīng)俱全，形態(tài)符合航空力學(xué)理論，于是被稱為“古瑪雅黃金飛機”。

瑪雅飛機復(fù)原工作的主要負責(zé)人，2015屆同濟航空專業(yè)本科生王興虎同學(xué)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(guī)整。幾位同學(xué)先將瑪雅“飛機”照片導(dǎo)入一種被稱作“幾何畫筆”的繪圖軟件當(dāng)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(shù)。有了這些參數(shù)，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(guān)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(shè)計出了飛機的骨架等內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該項工作極其艱苦卻非常講究。一方面，飛機內(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)“切”得太稀疏，飛機強度、剛度就可能會出現(xiàn)問題，外型上也會影響像真度。因此，該項工作需要兩個同學(xué)同步進行，即王興虎本人搞飛機結(jié)構(gòu)CAD建模，同時另一位同學(xué)王曉正配合校核飛機結(jié)構(gòu)的強度。當(dāng)然，他們倆還要承擔(dān)與結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)的操縱面設(shè)計、起落架設(shè)計等其他工作。

在飛機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的虛擬設(shè)計過程中，王興虎最初的設(shè)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(jié)構(gòu)的大致重量：2公斤。2公斤重量加上電子裝備和電池，預(yù)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(jié)果也出來了：飛機結(jié)構(gòu)強度過于富裕，飛機需要減重。

有了此前的建模經(jīng)驗和強度分析結(jié)果，王興虎決定將機身的框數(shù)和翼肋數(shù)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(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)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(xiàn)代流體力學(xué)原理，于是在建模中，王興虎不得不對這些細節(jié)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(shè)計是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程；上述的幾項主要工作互相關(guān)聯(lián)而又互相制約。首先，飛機模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(xué)要求。一旦構(gòu)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(jié)構(gòu)的設(shè)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(jié)構(gòu)強度校核工作的原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。繁雜的工作相互交織，大量信息需要權(quán)衡、綜合，甚至互相妥協(xié)。每項工作的每一個細節(jié)，都直接關(guān)系到后續(xù)飛機制作與試飛的成敗，極大地考驗著王興虎等幾位同學(xué)的能力。不過，前期的理論分析結(jié)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(wěn)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(shè)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(zhì)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(tǒng)和調(diào)試飛機……歷經(jīng)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(shè)計，地面遙控，形態(tài)惟妙惟肖。

2015年4月21日，王興虎等幾位同學(xué)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(dāng)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(shù)分鐘的飛行過程中，該飛機甚至還做出了俯沖、側(cè)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(wěn)落地，安然無恙。

責(zé)任編輯：曹曉晨