我教學生造高難度飛機

沈海軍

做出世界上最大的遙控電動紙飛機

紙飛機，對大家來說再熟悉不過了。不過，如果要深究它的空氣動力學原理，就很少能搞得懂了。2014年，我指導的一名本科生同學——王仲景卻是專門從事這項工作的。

2014年4月，為了摸清紙飛機的飛行性能，王同學先是使用流體力學軟件，在電腦中對若十余種典型的紙飛機構(gòu)型進行了大量而系統(tǒng)的空氣動力學模擬。模擬顯示，一種大三角翼的紙飛機氣動性能尤為出色。于是，王仲景著手制作了一架這種類型臉盆大小的紙飛機。

為了增加紙飛機的續(xù)航能力，他特意給紙飛機設(shè)計了操縱面，還精心選配了動力裝置、電調(diào)和遙控/接收設(shè)備。由于有了先前的“優(yōu)選”工作，試飛時發(fā)現(xiàn)，第一架制作完成的遙控電動紙飛機便具有極其出色的飛行性能：在操縱手的遙控下竟然在操場上空慢悠悠飛行了數(shù)分鐘之久。小試牛刀后，王仲景受到極大鼓舞，于是他做出一個大膽的決定：將臉盆大的電動紙飛機放大10倍，做一架世界上最大的遙控電動紙飛機。

說干就干，王仲景立馬購買KT板，然后，照著原有紙飛機的比例放大、裁剪出飛機的翼面、“V”形凹槽側(cè)板等各個部件。龐大的紙飛機框架起來了，接下來就是給飛機安裝操控系統(tǒng)。為了操縱飛機的橫滾和升降，王仲景參照現(xiàn)代飛翼布局飛機，將飛機機翼后緣的兩個操縱面設(shè)置成副翼和升降面混控，同時，還巧妙地利用飛機對稱軸處的 “V”形凹槽空間，在其中安裝了大功率的電機/螺旋槳、鋰電池組和接收機。

飛機骨架大體完成了，本以為即將大功告成，但飛機卻出現(xiàn)了兩個棘手的問題。首先，王仲景發(fā)現(xiàn)，飛機的剛度嚴重不足。由于整個“紙飛機”的面積龐大，而KT板相對較薄，非常容易變形。為此，通過思考及剛度計算，王仲景決定對紙飛機的周邊及主機翼用塑料邊或碳纖維桿進行加固。于是，他用透明膠帶固定碳纖維桿，用泡沫膠粘接飛機周邊加強塑料條，用易拉罐鋁片做緊固連接的墊片，用細鐵絲綁定塑料邊或碳纖維桿，用費油筆芯做連接桿……手頭有的東西都盡量想到、用到了，最終，飛機的剛度問題得到解決。此外，小王還發(fā)現(xiàn)，飛機的重心嚴重偏后，即便將飛機的整個電子裝備全部移到飛機最前方依然如此。這時候，王仲景靈機一動，想到了手邊的廢礦泉水瓶。在礦泉水瓶內(nèi)裝上適量的水用膠帶固定在紙飛機頂部，通過調(diào)整水瓶中水的多少來調(diào)節(jié)飛機重心，豈不是既方便又快捷？廢物利用，是個好主意，于是，他將兩個礦泉水瓶被固定到了紙飛機的頭部。經(jīng)過一次次地往水瓶中加水或往外放水，以及一次次的無動力滑翔拋投試驗，最后飛機重心被調(diào)到了最佳的位置。

20天很快過去了，每天下來，實驗室的制作臺上幾乎都是一片狼藉；每天下來，王仲景都干得腰酸背痛。最后，一架長度和翼展均達到3米的大三角“紙飛機”宣告成功；巨大飛機豎起來竟頂?shù)搅藢嶒炇业奶旎ò濉?014年6月5日，王仲景和幾位同學對這架號稱世界最大的電動紙飛機進行了首飛，紙飛機被抬到了試飛地點：同濟大學南校區(qū)操場。

試飛當天，風和日麗，圍觀的人們很多。試飛結(jié)果顯示，“紙飛機”操穩(wěn)性、抗風性極佳，非常成功，同時也迎來了熱烈的掌聲和嘖嘖稱贊。后來，該紙飛機好像還上了四川衛(wèi)視的什么新聞欄目了呢。

研制仿翼龍飛機

張航是同濟大學2010級航空專業(yè)的高材生，他有一個獨特的愛好，那就是自小非常喜歡恐龍，尤其是喜歡會飛的所謂“翼龍”。翼龍擅長滑翔，是一種肌肉和神經(jīng)組織都很發(fā)達的脊椎動物，最早出現(xiàn)在2億2千萬年前。

“作為一名航空專業(yè)的學生，我很久以前就已經(jīng)關(guān)注到翼龍的形態(tài)和飛行能力了?！睆埡皆f?！安贿^，下決心著手做一架仿翼龍飛機卻是2013年年初的事情。當時，學校組織學生申報大四的本科畢業(yè)設(shè)計，于是，我和吳宏楊等同學便自發(fā)組成4人小組，匯聚在沈老師麾下，成為翼龍飛機設(shè)計和制作的主力軍?！?/p>

為了設(shè)計一架仿翼龍的飛機，張航等幾位同學首先通過網(wǎng)絡(luò)、圖書館，查閱了大量有關(guān)于翼龍的圖片和資料，摸清了翼龍的形態(tài)與習性。在對一張張翼龍圖片進行視圖分析與測量后，他們獲得了翼龍翅膀、頭部、頸部、腿部以及尾部等主要部位的特征尺寸。

有了翼龍的外形數(shù)據(jù)，接下來要做的就是將翼龍抽象為一架生物仿形的飛機，即進行概念設(shè)計?！翱铸堊冿w機”，這可是一項挑戰(zhàn)每個人想象力、創(chuàng)造力以及創(chuàng)新能力的艱難工作。為此，張航他們經(jīng)過數(shù)日的苦思冥想、討論甚至爭辯，最后決定將機翼前后緣設(shè)計成波浪狀，并用一根碳纖管做翼龍的翅膀骨架。為了盡可能“仿形”，他們還將“翼龍”翅膀后方的“羽毛”設(shè)計成調(diào)節(jié)飛機橫滾姿態(tài)的副翼；尖尖的龍頭當做飛機頭；兩條“翼龍后腿”后伸化作后機身，后機身（每條腿）末端安裝上帶蹼狀的龍爪；蹼狀龍爪呈“V”狀，用作調(diào)節(jié)飛機航向和升降的飛機尾翼……這種設(shè)計巧妙地將翼龍骨架、外形等生理特征融入到現(xiàn)代常規(guī)飛機的經(jīng)典布局，令人耳目一新。

按照飛機設(shè)計的流程，概念設(shè)計完畢后是初步設(shè)計。在初步設(shè)計中，一項重要的難題又擺在了張航等同學的面前，那就是翼龍飛機的氣動性能分析。和常規(guī)飛機不同的是，翼龍飛機的翼面幾何外形較為復(fù)雜，這大幅度增加了氣動性能分析中網(wǎng)格劃分以及氣動計算的工作量。然而，這并不能難道張航他們。根據(jù)翼龍飛機機翼的特點，張航靈機一動，決定將翼龍翅膀簡化為兩個梯形與一個三角形的組合，于是復(fù)雜的問題一下子變得明晰而又豁然開朗。兩周后，氣動分析結(jié)果很快出來了。結(jié)果顯示，翼龍飛機的設(shè)計航向、縱向穩(wěn)定性富裕，操縱性優(yōu)良，升阻特性尚佳……總之，翼龍飛機至少在理論上具有出色的氣動特性。這是一個好消息，設(shè)計小組成員們得知后興奮不已，信心倍增。

理論設(shè)計完成后，張航他們便開始翼龍飛機的實際制作。繪制圖紙、激光雕刻飛機部件、搭接飛機結(jié)構(gòu)……4個人分工協(xié)作，有條不紊地工作。一天天過去了，伴隨著加工間嗡嗡的機器聲，翼龍飛機的骨架從無到有，慢慢地呈現(xiàn)出了雛形。

翼龍飛機骨架起來了，還需要給它安裝起落架。為了避免起降時飛機受損，張航在翼龍的“胸部”巧妙地安裝了一個反“U”字狀的碳纖維復(fù)合材料主起落架，這看上去恰似翼龍的“前肢”；他們還在翼龍的頸下方安裝了前起落架。最后，他們給整個機翼鋪上紅色的蒙皮，蹼爪為藍色蒙皮，龍頭和身體為黃色蒙皮。包裝后的翼龍色彩鮮艷，活靈活現(xiàn)，充分體現(xiàn)了當代工科男的出色藝術(shù)素養(yǎng)。

3個月的汗水，3個月的辛勤付出。最后，一架長度和翼展均達到2米的仿生翼龍飛機終于完工。2014年5月28日，張航幾個人決定對這架奇特的飛機進行試飛。那天一大早，一輛大巴車載著翼龍飛機及其設(shè)計者，浩浩蕩蕩來到了試飛地點：上海國際賽車場。

試飛現(xiàn)場，陽光明媚，萬里無云。翼龍飛機在眾目睽睽之下劃過跑道，一躍而起。古老的翼龍沖上天空，試飛出奇地成功。就在飛機安全著陸的那一刻，大家的心緒一下子沸騰了；激動、興奮，試飛場上響起了熱烈的掌聲。

“我教學生造飛機”的故事就講到這里，但這遠不是故事的全部。事實上，近幾年來，我指導的學生已經(jīng)制作了上百架各種類型的飛機。2014年年底，這些作品曾作過一次較大規(guī)模的“飛機秀”。那是一次由學生們自己籌劃、自己作主、展覽自己飛機作品的活動。二十余名本科生自發(fā)起來，搞宣傳、做展板、拆裝運輸飛機、安排人手，光籌備工作就足足用了一周的時間。

2014年12月9日，同濟大學首屆大學生飛機展在同濟大學生活動中心舉行。會展上，50余架學生們制作的飛機一一亮相，按類型被分為無人機、微小飛機、趣味飛機以及3D打印與昆蟲飛機等4個展區(qū)（展臺）。3.5米翼展的無人機、3米展長的大型電動遙控紙飛機、3.6米高的“巨型飛人”等大個頭、巴掌大小的碳桿薄膜微小飛機、報紙大小的蝴蝶飛機、書本大小的3D打印飛機、蒼蠅飛機等“小不點”……或形態(tài)可掬、惟妙惟肖，或動力強勁、英姿颯爽，得到了參觀者們的嘖嘖稱贊。

責任編輯：曹曉晨