我們做了一架仿生飛魚無人機

嚴(yán)晴晴 沈海軍

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

大學(xué)的時光過得飛快，轉(zhuǎn)眼間到了大四的畢業(yè)設(shè)計階段，這是驗證我們學(xué)習(xí)成果的時候。

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

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“未來飛行器設(shè)計”“流體力學(xué)仿真”“飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計”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用自己所學(xué)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(dǎo)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(jìn)行仿生飛魚無人機的氣動外形研究，已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，”?沈海軍教授說，“飛魚經(jīng)過自然選擇和進(jìn)化，其形態(tài)對于人類的科技發(fā)展和產(chǎn)品設(shè)計有著相當(dāng)大的參考價值，你們可以嘗試研究制作仿生飛魚無人機。”

破題

沈海軍教授為我們點明了研究方向，我們感到設(shè)計制作一架全新的無人機，不僅能綜合運用飛行器專業(yè)知識，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，希望能在他的成果基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展研究。

見到余翼學(xué)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(shè)計的方法，通過非接觸式光學(xué)雙目立體掃描儀，對飛魚進(jìn)行了三維掃描，獲得了飛魚原始模型的點云數(shù)據(jù)。”

非接觸式光學(xué)雙目立體掃描儀是一種不直接接觸物體，通過兩部投影裝置拍照、計算來獲得目標(biāo)物體上某些點三維坐標(biāo)的設(shè)備。將獲得點的三維坐標(biāo)投影到三維空間里對應(yīng)的位置，進(jìn)而獲得的位置云圖數(shù)據(jù)，就是點云數(shù)據(jù)。

“然后我通過Imageware軟件（著名的逆向工程軟件），經(jīng)過孔洞修復(fù)、補全軟件創(chuàng)建曲面的誤差、數(shù)據(jù)精簡等步驟后，構(gòu)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。”

說到這里，余翼學(xué)長頓了頓，“但你們應(yīng)該都能看出，這個擬合曲面并不能直接用于現(xiàn)代飛機的外形設(shè)計。”

“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(xué)長點了點頭，“所以我用現(xiàn)代飛機設(shè)計理念，對它的氣動外形進(jìn)行了改良。”?氣動外形是指在氣體介質(zhì)中運動的物體，為減少運動阻力，而采用的適合在該介質(zhì)中運動的外形。

在形態(tài)提取與設(shè)計過程中，余翼學(xué)長用自然界中飛魚胸鰭的投影圖來構(gòu)建機翼，采用了統(tǒng)一的翼型GAW-1（一種用于通用航空飛機的先進(jìn)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(wěn)尾及臀部增穩(wěn)尾，這可增加飛機在飛行過程中的穩(wěn)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(wěn)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(jié)果。”余翼學(xué)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(yōu)的氣動性能，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。”升力系數(shù)越大，飛機可以爬升得越高，回轉(zhuǎn)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(xué)長的介紹中，我們還詳細(xì)了解了仿生飛魚無人機的優(yōu)點：在低速飛行環(huán)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(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;機身上部會出現(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，對于整體升阻特性有積極的貢獻(xiàn)。簡而言之，就是仿生飛魚無人機具有優(yōu)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(xù)的研究作為畢設(shè)課題嗎？”

聽余翼學(xué)長這么說，我們都有些興奮，“既然仿生飛魚無人機擁這么優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)外形，我們愿意對它的內(nèi)部構(gòu)造開展研究設(shè)計，希望能成功試飛！”

制作

確定了畢設(shè)題目，我們便分工行動。

曹日興負(fù)責(zé)用CATIA軟件（一款機械加工設(shè)計軟件）進(jìn)行內(nèi)部構(gòu)造的設(shè)計，建模過程為：機身隔框→機身主梁→機翼→尾翼。

在設(shè)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(shè)置為可拆分結(jié)構(gòu)。曹日興將機身內(nèi)部設(shè)計成14個機身隔框，隔框結(jié)構(gòu)是飛機中常用的主要傳力及承力結(jié)構(gòu)。

拆分面被設(shè)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(wěn)定功能，同時也具有舵面的調(diào)節(jié)功能。

鄒施睿進(jìn)行的是結(jié)構(gòu)強度分析，是無人機安全性和可靠性的保證。

“咦？”鄒施睿看著ANSYS軟件（有限元分析軟件，可用于飛機結(jié)構(gòu)強度分析）的分析結(jié)果皺了皺眉，“這個機翼結(jié)構(gòu)不太行。”

待掃描的冷凍飛魚

飛魚原始模型的點云數(shù)據(jù)

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(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，是不是有點過大了？而且機翼的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于層板的許用應(yīng)力，造成了強度的浪費。”

“嗯，你說得對，看來結(jié)構(gòu)需要優(yōu)化。”?曹日興打開圖紙準(zhǔn)備進(jìn)行修改，此時，我和汪成湊過頭去。

“我對結(jié)構(gòu)也有一點兒看法，”此時的我已經(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。”

我的話音剛落，汪成就開口道：“還有這里。”他指向機身的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。”

“另外，小曹同學(xué)，我需要估算無人機重量，以選擇電機和螺旋槳。”負(fù)責(zé)動力系統(tǒng)和電子設(shè)備的汪成說。

“我也需要無人機重量和降落的加速度，來進(jìn)行起落架強度分析。”鄒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(jié)構(gòu)分析是后續(xù)工作開展的基礎(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，就要強調(diào)結(jié)構(gòu)減重;而鄒施睿重視結(jié)構(gòu)強度，要對主承力部件進(jìn)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(shè)計部門，在不斷地爭論和協(xié)調(diào)中，仿生飛魚無人機的雛形漸漸完善，性能一步步優(yōu)化。

經(jīng)過兩個月的努力，機身設(shè)計終于定稿，100余個部件已經(jīng)萬事俱備，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)過激光切割，得到激光切割飛機模型零件。我們對零件進(jìn)行組裝、膠水固定、鋪設(shè)蒙板、打磨、貼迷彩蒙皮、加裝動力裝置與控制系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jīng)沈海軍老師的建議，我們把試飛地點定在上海松山區(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，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(yè)的飛行執(zhí)照，他豐富的飛行經(jīng)驗?zāi)転槲覀兊脑囷w保駕護(hù)航。

試飛現(xiàn)場，在緊張的準(zhǔn)備工作與調(diào)試完成后，飛機在地面滑跑約50米后達(dá)到起飛速度，經(jīng)過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(tài)穩(wěn)定。

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

無人機的穩(wěn)定性是由我負(fù)責(zé)的，它的各項穩(wěn)定仿真結(jié)果不僅符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，更是稱得上優(yōu)秀，我充分相信它的“實力”，并不怎么擔(dān)心。

果不其然，仿生飛魚無人機在平飛后很快恢復(fù)了飛行姿態(tài)。

降落階段，在李老師的操作下，無人機對準(zhǔn)跑道，經(jīng)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(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)長也在第一時間發(fā)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(xiàn)出了優(yōu)秀的性能，我們的成果有望運用于未來的無人飛行器設(shè)計乃至小型有人飛行器設(shè)計中。

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

責(zé)任編輯：曹曉晨