我教学生造高难度飞机

沈海军

做出世界上最大的遥控电动纸飞机

纸飞机，对大家来说再熟悉不过了。不过，如果要深究它的空气动力学原理，就很少能搞得懂了。2014年，我指导的一名本科生同学——王仲景却是专门从事这项工作的。

2014年4月，为了摸清纸飞机的飞行性能，王同学先是使用流体力学软件，在电脑中对若十余种典型的纸飞机构型进行了大量而系统的空气动力学模拟。模拟显示，一种大三角翼的纸飞机气动性能尤为出色。于是，王仲景着手制作了一架这种类型脸盆大小的纸飞机。

为了增加纸飞机的续航能力，他特意给纸飞机设计了操纵面，还精心选配了动力装置、电调和遥控/接收设备。由于有了先前的“优选”工作，试飞时发现，第一架制作完成的遥控电动纸飞机便具有极其出色的飞行性能：在操纵手的遥控下竟然在操场上空慢悠悠飞行了数分钟之久。小试牛刀后，王仲景受到极大鼓舞，于是他做出一个大胆的决定：将脸盆大的电动纸飞机放大10倍，做一架世界上最大的遥控电动纸飞机。

说干就干，王仲景立马购买KT板，然后，照着原有纸飞机的比例放大、裁剪出飞机的翼面、“V”形凹槽侧板等各个部件。庞大的纸飞机框架起来了，接下来就是给飞机安装操控系统。为了操纵飞机的横滚和升降，王仲景参照现代飞翼布局飞机，将飞机机翼后缘的两个操纵面设置成副翼和升降面混控，同时，还巧妙地利用飞机对称轴处的 “V”形凹槽空间，在其中安装了大功率的电机/螺旋桨、锂电池组和接收机。

飞机骨架大体完成了，本以为即将大功告成，但飞机却出现了两个棘手的问题。首先，王仲景发现，飞机的刚度严重不足。由于整个“纸飞机”的面积庞大，而KT板相对较薄，非常容易变形。为此，通过思考及刚度计算，王仲景决定对纸飞机的周边及主机翼用塑料边或碳纤维杆进行加固。于是，他用透明胶带固定碳纤维杆，用泡沫胶粘接飞机周边加强塑料条，用易拉罐铝片做紧固连接的垫片，用细铁丝绑定塑料边或碳纤维杆，用费油笔芯做连接杆……手头有的东西都尽量想到、用到了，最终，飞机的刚度问题得到解决。此外，小王还发现，飞机的重心严重偏后，即便将飞机的整个电子装备全部移到飞机最前方依然如此。这时候，王仲景灵机一动，想到了手边的废矿泉水瓶。在矿泉水瓶内装上适量的水用胶带固定在纸飞机顶部，通过调整水瓶中水的多少来调节飞机重心，岂不是既方便又快捷？废物利用，是个好主意，于是，他将两个矿泉水瓶被固定到了纸飞机的头部。经过一次次地往水瓶中加水或往外放水，以及一次次的无动力滑翔抛投试验，最后飞机重心被调到了最佳的位置。

20天很快过去了，每天下来，实验室的制作台上几乎都是一片狼藉；每天下来，王仲景都干得腰酸背痛。最后，一架长度和翼展均达到3米的大三角“纸飞机”宣告成功；巨大飞机竖起来竟顶到了实验室的天花板。2014年6月5日，王仲景和几位同学对这架号称世界最大的电动纸飞机进行了首飞，纸飞机被抬到了试飞地点：同济大学南校区操场。

试飞当天，风和日丽，围观的人们很多。试飞结果显示，“纸飞机”操稳性、抗风性极佳，非常成功，同时也迎来了热烈的掌声和啧啧称赞。后来，该纸飞机好像还上了四川卫视的什么新闻栏目了呢。

研制仿翼龙飞机

张航是同济大学2010级航空专业的高材生，他有一个独特的爱好，那就是自小非常喜欢恐龙，尤其是喜欢会飞的所谓“翼龙”。翼龙擅长滑翔，是一种肌肉和神经组织都很发达的脊椎动物，最早出现在2亿2千万年前。

“作为一名航空专业的学生，我很久以前就已经关注到翼龙的形态和飞行能力了。”张航曾说。“不过，下决心着手做一架仿翼龙飞机却是2013年年初的事情。当时，学校组织学生申报大四的本科毕业设计，于是，我和吴宏杨等同学便自发组成4人小组，汇聚在沈老师麾下，成为翼龙飞机设计和制作的主力军。”

为了设计一架仿翼龙的飞机，张航等几位同学首先通过网络、图书馆，查阅了大量有关于翼龙的图片和资料，摸清了翼龙的形态与习性。在对一张张翼龙图片进行视图分析与测量后，他们获得了翼龙翅膀、头部、颈部、腿部以及尾部等主要部位的特征尺寸。

有了翼龙的外形数据，接下来要做的就是将翼龙抽象为一架生物仿形的飞机，即进行概念设计。“恐龙变飞机”，这可是一项挑战每个人想象力、创造力以及创新能力的艰难工作。为此，张航他们经过数日的苦思冥想、讨论甚至争辩，最后决定将机翼前后缘设计成波浪状，并用一根碳纤管做翼龙的翅膀骨架。为了尽可能“仿形”，他们还将“翼龙”翅膀后方的“羽毛”设计成调节飞机横滚姿态的副翼；尖尖的龙头当做飞机头；两条“翼龙后腿”后伸化作后机身，后机身（每条腿）末端安装上带蹼状的龙爪；蹼状龙爪呈“V”状，用作调节飞机航向和升降的飞机尾翼……这种设计巧妙地将翼龙骨架、外形等生理特征融入到现代常规飞机的经典布局，令人耳目一新。

按照飞机设计的流程，概念设计完毕后是初步设计。在初步设计中，一项重要的难题又摆在了张航等同学的面前，那就是翼龙飞机的气动性能分析。和常规飞机不同的是，翼龙飞机的翼面几何外形较为复杂，这大幅度增加了气动性能分析中网格划分以及气动计算的工作量。然而，这并不能难道张航他们。根据翼龙飞机机翼的特点，张航灵机一动，决定将翼龙翅膀简化为两个梯形与一个三角形的组合，于是复杂的问题一下子变得明晰而又豁然开朗。两周后，气动分析结果很快出来了。结果显示，翼龙飞机的设计航向、纵向稳定性富裕，操纵性优良，升阻特性尚佳……总之，翼龙飞机至少在理论上具有出色的气动特性。这是一个好消息，设计小组成员们得知后兴奋不已，信心倍增。

理论设计完成后，张航他们便开始翼龙飞机的实际制作。绘制图纸、激光雕刻飞机部件、搭接飞机结构……4个人分工协作，有条不紊地工作。一天天过去了，伴随着加工间嗡嗡的机器声，翼龙飞机的骨架从无到有，慢慢地呈现出了雏形。

翼龙飞机骨架起来了，还需要给它安装起落架。为了避免起降时飞机受损，张航在翼龙的“胸部”巧妙地安装了一个反“U”字状的碳纤维复合材料主起落架，这看上去恰似翼龙的“前肢”；他们还在翼龙的颈下方安装了前起落架。最后，他们给整个机翼铺上红色的蒙皮，蹼爪为蓝色蒙皮，龙头和身体为黄色蒙皮。包装后的翼龙色彩鲜艳，活灵活现，充分体现了当代工科男的出色艺术素养。

3个月的汗水，3个月的辛勤付出。最后，一架长度和翼展均达到2米的仿生翼龙飞机终于完工。2014年5月28日，张航几个人决定对这架奇特的飞机进行试飞。那天一大早，一辆大巴车载着翼龙飞机及其设计者，浩浩荡荡来到了试飞地点：上海国际赛车场。

试飞现场，阳光明媚，万里无云。翼龙飞机在众目睽睽之下划过跑道，一跃而起。古老的翼龙冲上天空，试飞出奇地成功。就在飞机安全着陆的那一刻，大家的心绪一下子沸腾了；激动、兴奋，试飞场上响起了热烈的掌声。

“我教学生造飞机”的故事就讲到这里，但这远不是故事的全部。事实上，近几年来，我指导的学生已经制作了上百架各种类型的飞机。2014年年底，这些作品曾作过一次较大规模的“飞机秀”。那是一次由学生们自己筹划、自己作主、展览自己飞机作品的活动。二十余名本科生自发起来，搞宣传、做展板、拆装运输飞机、安排人手，光筹备工作就足足用了一周的时间。

2014年12月9日，同济大学首届大学生飞机展在同济大学生活动中心举行。会展上，50余架学生们制作的飞机一一亮相，按类型被分为无人机、微小飞机、趣味飞机以及3D打印与昆虫飞机等4个展区（展台）。3.5米翼展的无人机、3米展长的大型电动遥控纸飞机、3.6米高的“巨型飞人”等大个头、巴掌大小的碳杆薄膜微小飞机、报纸大小的蝴蝶飞机、书本大小的3D打印飞机、苍蝇飞机等“小不点”……或形态可掬、惟妙惟肖，或动力强劲、英姿飒爽，得到了参观者们的啧啧称赞。

责任编辑：曹晓晨