我教学生造了近百架飞机

沈海军

同济大学航空与力学学院教授，博士生导师，飞行器工程研究所所长。国际刊物《The Open Mechanical Engineering Journal》编委，教育部教学指导委员会委员。主持或参加过国家自然基金、航空科学基金等多个项目；已发表论文200余篇；出版有《纳米科技概论》、《新型碳纳米材料-碳富勒烯》和《近空间飞行器》等著作。

“飞人”背后的团队

实验室经常有各年龄段的孩子前往参观

飞机调试

自同济大学2012年微小飞机实验室建成后，我已指导学生们设计、制作了近百架各类的飞机。现如今，200多平方的实验室已经被这些形形色色的飞机占得差不多了。随便拿出一架，聊一聊它的来龙去脉，说一说它的设计制作过程，我都可以娓娓道来，讲出一大段背后不为人知的故事。

巨型“飞人”

2014年7月，航空专业的大二学生参加了我的《微型飞机设计、制作》课程。这是一门全新的课程，开设的目的十分简单，就是要让航空专业的学生分组亲身经历一轮简化版的飞机设计、研制、试飞全过程。这些年，航模圈内流行做一种所谓的“门板飞机”，顾名思义，就是在一块方形泡沫板前方装上电机，后方安装上泡沫平尾和垂尾，再加装电子装备，最终构成一种简易遥控飞机。这种飞机制作和构形简单，深受航模发烧友喜爱。

受到门板飞机的启发，那一年，周帅等同学决定研制一架巨型“飞人”遥控飞机。这是本次课程中最艰苦也最有趣的一组。之所以艰苦，一是这架飞机个头实在太大了，人形飞机的臂长1.6米、高度约为3.5米，为普通人的两倍，制作起来非常麻烦；事实上，这也是目前世界上最大的遥控电动人形飞机。二是这架飞机外形太奇特了，很难借鉴传统的飞机设计制作经验和参数。周帅坦言，他们最早的设想就是想将这种门板机改造成人形的巨型飞机，寄教于乐，增加飞机设计的趣味性、知识性、艺术性和挑战性。

为了能成功制造出一架会飞的巨型遥控飞人飞机，周帅先用白纸勾勒出一个双手下垂的巨型男子的轮廓，然后用5毫米厚的KT板裁剪出飞人的躯干。考虑到躯干的外轮廓不规则，难以获得足够的升力，几个人将飞人的胸部设计为双层，类似于双翼飞机，以增加升力面的面积。

飞机升力够了，接下来要考虑的是飞人的稳定性和操控性。一般情况下，飞机若稳定性和操控性不佳，便会打着旋往地上栽。经过激烈的讨论，周帅提议将“飞人”的两条腿由平面被改为正交平面的立体结构，这相当于给飞机增加了两个垂直安定面；同时将飞机小腿及脚外侧设置成两个操纵面，用来操纵飞机的横滚和升降。按照上述方案，飞机框架搭建好后，周帅又带领几位组员给飞机加装电子装备。于是，“飞人”的胸部被“掏空”，安装了发动机、放置了锂电池组……

飞机正式试飞前通常有一个重要的环节，那就是无动力滑翔测试。为此，周帅将飞人拿到学院草坪上进行抛投，以考察飞机的滑翔行性能。几次抛投下来，还真是发现了问题。周帅发现，飞机投出去老是“仰头”，这说明飞机重心太靠后，于是同学们决定将飞机的锂电池组向飞人的头顶移动，经过四、五次反复调试，飞机的重心问题终于搞定。周帅还发现飞人的四肢太“软”，刚度不够。为此，同学们给飞人的双臂各增加了一根14mm直径的空心碳纤维杆，在小腿上增加了若干根轻木条予以加强。经过上述两项大改进后，飞机骨架“硬朗”起来了，并表现出了优异的滑翔性能。

功夫不负有心人，经过十余天的设计、制作和调试，7月最后一天，周帅他们的飞机终于完成。仰望着世界上最大的“飞人”冲上云霄，看着围观者赞许的眼神，同学们的喜悦与自豪之情也随着飞上了蓝天。

复原千年玛雅“黄金飞机”

公元500～900年，在南美哥伦比亚地区出现过一段人类文明，史称古玛雅文明。近年来，考古学家在玛雅遗址中发掘出一些古玛雅王族所用的黄金垂饰。这些饰品长约60cm，宽约50mm。令人惊奇的是，这些物品外型酷似飞机，机头、座舱、主翼、机身、垂直尾翼、水平尾翼等一应俱全，形态符合航空力学理论，于是被称为“古玛雅黄金飞机”。

玛雅飞机复原工作的主要负责人，2015届同济航空专业本科生王兴虎同学说：“第一眼看到古代玛雅黄金饰品图片时我就被深深吸引了，那简直就是一架飞机模型。于是心里就想，能不能制作一架试试，看能不能飞上天。”

有了想法的王兴虎立马召集人马开工。2014从年9月份开始，他们就着手对这架古代“飞机”进行CAD三维建模。说实话，该项工作难度还是蛮高的，不过好在玛雅人的“飞机”外形还算规整。几位同学先将玛雅“飞机”照片导入一种被称作“几何画笔”的绘图软件当中，并利用该软件的测量功能得到该“飞机”的翼展、弦长、机身长度、高度、机翼后掠角等重要参数。有了这些参数，再利用功能强大的CAD软件Catia，他们在电脑里一点一点建立起关键点、特征曲面和三维实体……这是一个枯燥而极其耗费脑力的过程。一个月后，一架1：1的玛雅“飞机”三维模型在电脑里完成了。利用实验室的三维打印机，王兴虎欣喜地得到了该物品的1：1三维打印实体模型。

有了玛雅“飞机”的外形，王兴虎接着要做的就是在电脑中采用切片法设计出了飞机的骨架等内部结构。该项工作极其艰苦却非常讲究。一方面，飞机内部“切”出来的框和翼肋不能太密，否则飞机做出来会太重，甚至无法飞行；另一方面，如果飞机内部结构“切”得太稀疏，飞机强度、刚度就可能会出现问题，外型上也会影响像真度。因此，该项工作需要两个同学同步进行，即王兴虎本人搞飞机结构CAD建模，同时另一位同学王晓正配合校核飞机结构的强度。当然，他们俩还要承担与结构设计密切相关的操纵面设计、起落架设计等其他工作。

在飞机内部结构的虚拟设计过程中，王兴虎最初的设想是让机身和机翼分别拥有16个均布的框和翼肋。于是他依照该方案在电脑中对玛雅飞机进行切片和CAD建模。一周后，该CAD模型建成；利用CAD软件本身的重量估算功能，他很快又得到了飞机结构的大致重量：2公斤。2公斤重量加上电子装备和电池，预计飞机的总重量会达到6公斤。6公斤！这对于一个中型航模来讲显然是太重了。与此同时，王晓正的强度校核工作初步结果也出来了：飞机结构强度过于富裕，飞机需要减重。

有了此前的建模经验和强度分析结果，王兴虎决定将机身的框数和翼肋数量均减少至11个。又是一轮新的切片、建模和强度校核；几天的努力工作很快得到了回报：分析结果显示，该飞机模型方案在满足强度要求下总重量减轻了1/3，成功“瘦身”了。

值得一提的是，与上述飞机结构设计几乎并行开展的还有另一项工作，那就是玛雅飞机的气动性能分析。为此，王兴虎使用AVL软件在电脑中进行了玛雅飞机的计算流体力学建模与分析。由于原始的玛雅“飞机”形象有些怪异：花边状状的机翼前缘、凹凸不平的脸部图案等特征，这些都均不符合现代流体力学原理，于是在建模中，王兴虎不得不对这些细节进行简化、光顺处理，这又大大增添了建模的难度……

事实上，飞机的设计是一个复杂的系统工程；上述的几项主要工作互相关联而又互相制约。首先，飞机模型的内部结构必须要满足强度指标，同时几何外形还需要满足空气动力学要求。一旦构强度不够，飞机飞到空中可能在气动载荷作用下被随时破坏；相反，若强度过于富裕，则又意味着飞机结构的设计过于笨重，气动升力无法托起飞机的重量。其次，通过飞机的气动分析可以得到气动载荷，而气动载荷又是开展结构强度校核工作的原始数据基础。繁杂的工作相互交织，大量信息需要权衡、综合，甚至互相妥协。每项工作的每一个细节，都直接关系到后续飞机制作与试飞的成败，极大地考验着王兴虎等几位同学的能力。不过，前期的理论分析结果还是令人欣慰的：这架古代“飞机”具有非常出色的气动性能和稳定性。这令王兴虎几人兴奋不已。

由于先前做了充分的详细设计，飞机制作充其量只能算体力活了。按照先前的电子图纸，王兴虎在激光雕刻机上用轻木等材质加工出该飞机的部件；然后，制作型架组装飞机机翼、机身；再下来是安装起落架、动力系统和调试飞机……历经了8个月，一架1：25的放大版古玛雅飞机终于完成。它身披金黄色蒙皮，翼展1.5米，双三角翼布局，升力体设计，地面遥控，形态惟妙惟肖。

2015年4月21日，王兴虎等几位同学将这架“沉睡了1500年”的古代飞行器装运到了上海国际赛车场进行试飞。当操纵手将油门加到最大时，这架“古代飞机”冲出跑道，一跃而起，直冲云霄。在飞行数分钟的飞行过程中，该飞机甚至还做出了俯冲、侧飞等高难度动作。最后，在大家的欢呼雀跃中，这架古代飞机平稳落地，安然无恙。

责任编辑：曹晓晨