劉戰(zhàn)合，田秋麗，王曉璐，徐亞輝，王 菁

（1. 鄭州航空工業(yè)管理學院航空工程學院，河南 鄭州 450046；2. 鄭州航空工業(yè)管理學院經(jīng)貿(mào)學院，河南 鄭州 450046；3. 鄭州航空工業(yè)管理學院團委，河南 鄭州 450046）

大學培養(yǎng)主體階段分為本科、碩士、博士，相應的科研活動依據(jù)階段不同特點各異[1,2]，對大部分二本院校來說，與研究生時期對比來看，教育條件和科研基礎欠缺較大，該階段科研活動對本科能力培養(yǎng)的影響有限。對如鄭州航空工業(yè)管理學院這一類的二本院校，主要表現(xiàn)為本科階段的科研素養(yǎng)培育和鍛煉，在基礎課程學習的基礎上，依據(jù)專業(yè)和學生特點不同，有針對性的安排以科研導向為目的的項目。

同時，在當前國際國內(nèi)創(chuàng)新思維新形勢下[3,4]，具有典型的“互聯(lián)網(wǎng)+”特點，其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)思路對科研活動也有重要影響，各種立足于科技創(chuàng)新、科技創(chuàng)業(yè)的競賽全面展開，形成較為鮮明的科研活動亮點?？萍几傎愔饕譃楣俜叫问胶蛯W會主辦形式，官方形式如經(jīng)典的“挑戰(zhàn)杯”全國大學生系列科技學術競賽[5,6]、全國大學生數(shù)學建模競賽等，學會主辦形式如中國國際航空航天錦標賽（CADC）、未來飛行器設計大賽等，共同形成相輔相成的體系。

本科階段的科研活動主要以上述科技競賽為導向，結(jié)合少數(shù)科研學術或工程項目，二者相互支撐，組成二本院?？蒲谢顒拥闹黧w。基于以上考慮，以科研活動（新概念飛行器設計）為載體，嘗試探索科研創(chuàng)新思維的培養(yǎng)模式或方法，進而研究科研活動的演化過程及方向。文中水上無人機方案均獲得2017年度“挑戰(zhàn)杯”國賽三等獎和第三屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國賽銅獎，其演化方案獲2018年第四屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽河南省賽一等獎。

一、科研活動內(nèi)涵及構(gòu)成

我國教育部對科研的定義為“為了增進知識包括關于人類文化和社會的知識以及利用這些知識去發(fā)明新的技術而進行的系統(tǒng)的創(chuàng)造性工作”。可以看出，科研活動具備以下重要特點：

（一）目的性

一般來說，經(jīng)過需求分析或前期調(diào)研，立足現(xiàn)有技術儲備、條件，科研活動均有目的性，即具有較為明確的研究方向、研究方案、研究方法等。盡管對一些前沿探索性課題或項目，其方案、方法、基礎條件等存在不明確性，但其研究目的性一般較為明確，如一些備受關注的重大科學問題、猜想等。對二本院校科學活動情況來說，立足現(xiàn)有基礎條件和知識儲備，有較大成功預期。以新概念飛行器設計為例，從學生能力和現(xiàn)有知識體系出發(fā)，其目的性可大致分為兩類：一是對掌握飛行器設計、空氣動力學、飛行控制、飛行器制造等學科的再次認識和提升；二是面向應用設計并制作出新型概念的飛行器。

同時，目的性根據(jù)學科特點不同（理科、工科）進行劃分，對理科來說，重在科學基礎理論和方法，而對工科，重在應用方向，并能形成具體產(chǎn)品?？茖W基礎理論是對現(xiàn)有知識體系的再次融合，并在某一方向形成創(chuàng)新性結(jié)果，科學活動也可以是對某些理論技術方法和手段的探索以及發(fā)現(xiàn)，一般難度較大。從工程應用角度講，科研活動可形成研究領域方向的新產(chǎn)品、新工藝、新技術等，對應用有重要指導或參考價值，部分科研活動可形成新產(chǎn)品、新工藝流程，該類研究一般以解決實際需求為目標，偏向工程應用。

（二）創(chuàng)新性

在既定目的下，科研活動的實施和完成，必然伴隨著新方法、新技術、新理論、新產(chǎn)品等，即創(chuàng)新性。在當前快速發(fā)展形勢下，科研活動的創(chuàng)新性尤顯突出，形成“萬眾創(chuàng)新”局面。如前所述，科研創(chuàng)新活動亦可根據(jù)其理、工科背景有所區(qū)別，理科方向主要在自然理論、研究方法上形成新理論、新方法，一般需要長期的、嚴格的對現(xiàn)象的深度認識和對理論的嚴密推理。工科方向，以新應用、新產(chǎn)品、新工藝等為目標，注重在一些重要性能上獲得提升。

創(chuàng)新性是貫穿科研活動始終的，如對水上無人機研究，其應用方向確定為水災救援、水污染數(shù)據(jù)搜集后，可以將方案目標定位為：可在一定限制條件（如風、浪、雨等氣候條件及水流速度等）下穩(wěn)定起降、具有一定載荷承載能力、可在水面停留作業(yè)的無人機。從以上目標定位來看，其限制條件是與新需求密切相關，既要求滿足任務需求，又要確保無人機安全；一定載荷承載能力是任務載荷需求，并盡量要求實現(xiàn)通用性、模塊化，以提高無人機多功能應用；可在水面停留作業(yè)要求相對較高，也是本項目研究的重要創(chuàng)新點之一，以滿足洪災后（或其他情況）水面救援及水樣采集等功能，且長期駐留表面也為后續(xù)的功能、性能演化提高提供基礎。

（三）系統(tǒng)性

對科研活動來說，一個重要特點是其系統(tǒng)性，任何一個科研活并非孤立存在，都與其他相近學科、相近科學問題有緊密聯(lián)系，以具體科研方向為主，系統(tǒng)化結(jié)合相關學科、相關科研條件，共同推進科研活動開展。

對水上無人機設計來說，其系統(tǒng)性體現(xiàn)在學科的綜合、產(chǎn)品的多功能上，從學科角度來看，以飛行器總體設計為核心，涉及艦船設計、水動力學、空氣動力學、數(shù)據(jù)鏈設計應用、飛行控制、材料成型設計及工藝實現(xiàn)、多功能應用設計等，是以上學科的有效融合，系統(tǒng)化后形成以水面停留、水面起降為創(chuàng)新特點的可執(zhí)行水災救援、水質(zhì)監(jiān)測、水樣采集等的多功能水上無人機。通過系統(tǒng)化設計，對以上各學科進行綜合，有效折中，實現(xiàn)創(chuàng)新性水上無人機設計。

（四）可行性

任何一個科研活動，在充分考慮目的性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)性后，還需考慮科研可行性，即項目或科研目的達成的可能性，一般是科研活動組織和開展初步階段的主要任務，需要根據(jù)現(xiàn)有技術條件、科研平臺現(xiàn)狀等，綜合分析預設研究方案、研究方法、當前業(yè)內(nèi)研究狀態(tài)等，并對研究團隊成員建設、科研素養(yǎng)等進行詳細調(diào)查分析，得到影響科研活動的關鍵問題、重要影響因素，進而研究采用的應對方案和技術。

從可行性來說，水上飛機研究有悠久歷史，已經(jīng)形成較多研究經(jīng)驗和技術參考，尤其是飛行器總體設計和布局設計等已有大量研究結(jié)果供參考借鑒。當前的水上飛機主要采用船身式或浮桶式的固定翼布局方式，以大展弦比提高升力系數(shù)，本項目根據(jù)設計需求，為提高飛行性能、水面起降性能和結(jié)構(gòu)性能，創(chuàng)新性采用船身式+連翼式布局結(jié)構(gòu)，提高了項目可行性，通過陸上和水上起降試飛，證明了方案的正確性。

二、基本流程及創(chuàng)新思維融合

從內(nèi)容來說，基于應用背景考慮的科研活動的基本流程可以概括為需求分析、方案設計、初步試驗、方案優(yōu)化、試驗驗證、方案定型這六個環(huán)節(jié)。對理論研究或方法研究的科研活動表現(xiàn)為類似的過程，不再詳細說明。

（一）需求分析

科研活動必然是以解決科學問題為主要目的，科學問題即現(xiàn)象的需求，將初步的需求經(jīng)過分析梳理，形成條理清晰、目的明確的科學問題，作為科研活動要解決的主要目標和科學任務。比如，我國南方每年均會爆發(fā)不同規(guī)模的水災，而對水災的救援，主要限于地面物資、藥品運輸，嚴重影響救援效率和時機。為解決水上救援，將科學需求總結(jié)為：可水上起降、水上停留并投放物資、航程20km、抗風浪、承載2～5kg（小型驗證機）等。

（二）方案設計

針對詳細的科研需求分析和需要解決的科學問題，基于現(xiàn)有科學理論、技術實現(xiàn)手段、生產(chǎn)制作工藝等，保證科學活動可行性，制定出合理的、高效的、成本可接受的設計方案。在方案設計階段，對水上無人機，可采用船身式、浮筒式，對本項目，考慮到水面航向設計及控制、未來無人機可拓展性，采用船身式結(jié)構(gòu)；從飛行器布局設計考慮，可采用固定翼或多旋翼設計方案，但考慮到多旋翼在航程、水面停留、水面起降等需求上均存在較大矛盾，而固定翼設計方案可充分將船身式、浮筒式結(jié)合實現(xiàn)水面起降、水面停留需求，對水上救援有重要影響。綜合以上問題及后續(xù)應用，將方案初步定為：船身式+固定翼方案。

（三）初步試驗

一個初步的設計方案，往往并不完善，存在諸多設計缺陷或隱患，需要通過初步試驗來驗證，試驗可以實際飛行試驗，也可以是仿真試驗，但對本項目而言，巡航階段的空氣動力學仿真已基本成熟，而水面起降動態(tài)過程及對抗風浪能力還處于初級研究階段，并未形成精度滿意的力學分析方法和數(shù)值模擬技術。因此，項目選擇了巡航階段氣動數(shù)值模擬+飛行試驗結(jié)合方法；而水面起降采用方案為：先進行陸上起降測試，驗證起降性能后，再進行水面滑行、起降試驗。在該階段，通過多次試驗盡早發(fā)現(xiàn)設計缺陷和問題，以便后期改進，在初選的多個方案中進行取舍并優(yōu)化。采用空氣動力學數(shù)值模擬連翼式布局方案的巡航狀態(tài)氣動性能，其跡線圖和壓力云圖見圖1。

圖1 連翼方案8度迎角的跡線圖和壓力云圖

（四）方案優(yōu)化

通過初步試驗和方案驗證后，根據(jù)飛行試驗結(jié)果，優(yōu)化設計方案，綜合考慮各種情況，對優(yōu)化設計方案進行改進提升，基本完成設計任務。通過飛行試驗，結(jié)合水面滑行情況、飛機結(jié)構(gòu)考慮，將初選中的直機翼、浮桶式設計方案淘汰；對連翼設計參數(shù)（幾何參數(shù)和性能參數(shù)）進行優(yōu)化，尤其是連翼方式、船身式斷階設計等，將方案階段性定為船身式+連翼式+動力后推式的新穎方式，并考慮到水面滑行穩(wěn)定性和方向可控性，在翼稍設計了航向控制器，設計方案如圖2，該設計形成國家發(fā)明專利1項。

圖2 優(yōu)化設計方案

（五）試驗驗證

該階段目標明確，以優(yōu)化方案為基礎，主要驗證需求階段的目標是否達到，科學問題是否已基本解決，試驗結(jié)果魯棒性如何，功能性是否均能滿足等。方案優(yōu)化后的水上無人機進行了陸上、水上試飛，為驗證其水面起降性能、水面滑行情況等，進行了多次水面起降試飛。通過多次試飛和測試，證明設計方案可行，可完成初始預定科學需求，并在設計方案上獲得了布局創(chuàng)新、水上起降創(chuàng)新、水面航向控制創(chuàng)新、船身設計創(chuàng)新等多個創(chuàng)新點。

（六）方案定型

通過以上流程，如果優(yōu)化方案可滿足所有科學需求，則方案進入定型階段，如不能滿足，則需要從以上相關流程階段重新開始，對方案進行修改或重新設計。方案的定型需要考慮成本、可維護性、制造技術復雜度等。

通過以上科研活動過程，基本驗證了水面起降性能、飛行性能、水樣采集、水面滑行等性能，形成的船身式水上無人機如圖3，命名為海鷗I。通過科研活動鍛煉，形成了以本科生為核心的科研團隊，鍛煉了新型飛機設計和制作技術，提高了科研創(chuàng)新思維能力。

圖3 定型方案（海鷗I）

三、科研活動演化

（一）方案演化

方案定型后，一般不做較大設計改動，如果需求應用變動較大，則需要在原有方案上進行優(yōu)化甚至重新進行方案設計。如需求變動不大，則僅需到既有方案進行改進或完善，以應對新需求。隨著近年來國際國內(nèi)物流業(yè)的大力發(fā)展，快遞物流已形成大范圍覆蓋，從航程上將，包含遠、中、近，甚至是末端市場的超短距離，由于水上起降具有成本低、機場設備無需特殊設計、無需起飛跑道等專門設施，成為一些物流巨頭的首要選擇。

考慮到物流需求，對現(xiàn)有連翼式設計方案進行改進提高即可，物流快遞希望具備較高的任務載荷，同時具備較低的運營成本、飛行穩(wěn)定性等，以上需求可歸納為：載荷大、巡航性能高、升力系數(shù)大及飛行器穩(wěn)操性高等特點?；谝陨峡紤]，可利用連翼式機翼的優(yōu)秀特點：較高升力系數(shù)、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)秀、水上起降平穩(wěn)等優(yōu)勢，并根據(jù)物流需求適當增加翼展，考慮到載荷需求，延長機身，并增大了無人機幾何尺寸等。將原來的設計方案修改后命名為海鷗II，并對其氣動特性進行了詳細分析，表面壓力分布如圖4所示。

圖4 海鷗II表面壓力云圖

同時，根據(jù)實際需求，在鄭州上街機場和大型湖面進行陸上和水面起降試驗，驗證了飛行性能、氣動性能，如圖5。該海鷗II方案以當前市場對無人物流、快遞新方式的需求為目標，經(jīng)過詳細市場調(diào)研和方案論證，將應用方向明確為：新型水陸兩用連翼式物流運輸無人機，參加了2018年第四屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，獲河南省賽一等獎。

圖5 海鷗II水面試飛（左圖）和靜態(tài)展示（右圖）

（二）應用演化

科學研究的主要目標是解決實際應用問題，因此，方案定型時還應考慮應用方向的影響。本項目另一使用方向是水質(zhì)采樣或采集，需要將水上無人機與水面采樣設備綜合考慮，根據(jù)實際情況，研究團隊設計了專用的星輪式可連續(xù)水樣自動采集器，滿足對水質(zhì)水樣的連續(xù)式采集。如圖6，該設計已獲批實用新型專利、發(fā)明專利各1項。

圖6 星輪式水樣采集器

同時，鑒于水面長期停留，為提高水面停留性能，在連翼上翼面鋪設太陽能面板，主要用于水面停留時對飛行器蓄電池充電，而非飛行過程中實現(xiàn)充電，可用來提高飛行器在特殊情況下的作業(yè)性能。設計方案如下圖7。

圖7 鋪設太陽能面板初始方案

四、結(jié)束語

針對國內(nèi)高校本科階段的大學科研活動，以某型新概念水上無人機設計研究為例，研究了科研活動的內(nèi)涵及構(gòu)成，并對其特點進行總結(jié)，詳細闡述了科研活動具有的目的性、創(chuàng)新性、系統(tǒng)性、可行性等。在以上基礎上，對科研活動基本流程進行詳細分析，將流程分為六個階段，并對科研創(chuàng)新思維進行了深度融合。最后，考慮到實際應用需求或其他需求的變化，分析了科研活動的演化，分為方案演化和應用演化。