在阳光下展翅翱翔

“飞行时间已满15分钟，模型飞机可以降落”，听到裁判的口令，全场迸发出阵阵欢呼，“冠军诞生了”！这一幕，发生在2014年9月30日的“科研类”全国航空航天模型锦标赛上。当时，全场只有西安交大航模队的太阳能模型飞机成功连续飞行了15分钟，不仅达到了比赛的最大留空时间要求，而且自重3千克的模型还载有2千克的重物。待模型平稳降落后，西安交大航模队的队员们激动不已。参加太阳能模型飞机载重飞行项目4年，全队终于获得了冠军，成为西安交大航模队史的一个里程碑。回顾4年来的摸索和拼搏，所有的队员与比赛一同成长，并靠技术革新最终实现了绝地反击。

2011年，项目初设

2011年，“科研类”全国航空航天模型锦标赛首次设立了太阳能模型飞机载重飞行项目，要求参赛者自主设计并制作一架自重不超过3千克的太阳能模型飞机，而且仅靠光伏动力完成载重飞行。

因为这是锦标赛中第一次出现太阳能动力类项目，所以没有现成的经验可参考。队员们对太阳能模型飞机的尺寸、气动布局完全没有概念，对太阳能电池板的铺设有没有任何经验。一切都是未知，都需要探索。

拿到比赛规则后，航模队就竞赛机的设计方案各抒己见。在讨论中，有个队员曾提出一个十分新奇的方案：考虑到比赛在10月的山东莱芜（大约北纬36°），比赛时太阳的照射角度较小，可在模型飞机上安装一个类似预警机天线罩的圆盘并放置太阳能硅片，让其对准阳光以获得更多的阳光照射。最后，经过大家讨论，太阳能模型飞机的方案确定为常规布局设计，电池板铺设在机翼上。

接下来，航模队设计制作了首架样机。至今想起这架模型飞机，很多老队员还是忍俊不禁。那是西安交大航模队做过的翼展最大的模型飞机，翼展长达7.4米，采用与翼尖一体的全动副翼。之所以这样设计，是因为太阳能模型飞机的动力有限，采用大展弦比机翼能提高其工作效率。而让人意想不到的是，这架被一致看好的模型飞机，首次试飞就炸机了，仅仅留空2秒。队员们的心情十分沉重，事后一遍遍、一帧帧地仔细研究飞行录像后，发现了一个关键问题——由于过分追求更大的翼展和更轻的重量，忽略了结构强度和机翼刚度，因此模型在升空后机翼严重扭曲变形，无法操控。

吸取了第1架样机的经验，大家又齐心协力制作了第2架。相比前一架，这架模型飞机由全动副翼改成了常规舵面，翼展也减至5米，并在机翼中增加了斜撑翼肋以提高整体刚度。试飞成功后，看着模型飞机安全降落，队员们悬着的心终于落地。紧接着，航模队又信心满满地先后设计制作了第3架、第4架样机。经过反复试验，最终的参赛机定型：全机自重3千克、翼展4.14米、机翼面积1.95平方米，共铺设48片太阳能电池板，且全部直接铺设在机翼表面。

机体定型后，还需进行光伏动力系统和电子设备的设计。考虑到太阳能电池板的性能特点，队员们自行设计并制作了太阳能电池最大功率跟踪系统和高效的盘式无刷电机。因为光伏电池不同于化学电池，其输出功率具有明显的非线性特征，所以为让动力系统输出最大功率，提高太阳能电池板的利用效率，队员们想出了增加一个太阳能电池最大功率跟踪系统的办法：当油门量小于50%时，由操纵手控制油门；当油门量大于50%时，由系统自动控制，并保证发挥出最大功率。之所以自制无刷电机，是因为队员们发现当时市场上的电机不适用于太阳能模型飞机，于是根据其动力特点做了一款高电压、大扭矩的盘式无刷电机。经理论计算，最终定型为一款18槽定子、24级转子的无刷电机。在试验中，它漏磁较少、效率较高，能满足太阳能模型飞机的飞行需求。

2011年10月，队员们信心十足地进入赛场。而老天爷似乎和大家开了一个玩笑，比赛当天光照度严重不足，只有16 000勒克斯（正常飞行光照应大于30 000勒克斯），而且比赛接近尾声时还下起了小雨。尽管条件恶劣，比赛还是照常进行。只是在这样的天气情况下，比赛已然成为各个参赛队模型飞机滑翔性能的比拼。輪到西安交大航模队上场，虽然依靠队员们的奋力牵引，模型飞机顺利起飞，但是精心设计的最大功率跟踪系统和高电压、大扭力的盘式电机完全没有用武之地。队员们为这架凝聚了全队心血的“大鸟”感到惋惜。

第一次赛场尝试的结果是季军，成绩一般，好在参与的队员不仅积累了很多设计和制作的经验，还认识到了总体设计中存在的不足。

2012年，新的挑战

2012年“科研类”全国航空航天模型锦标赛在湖北荆门举行。这一次，规则要求太阳能模型飞机必须滑跑起飞，而非之前的牵引起飞。滑跑起飞对飞行器的动力提出了很大挑战，因为在起飞阶段耗能最大。有了上次的经验，航模队提前考察了荆门地区的天气情况，发现当地空气湿度大、云量多、光照度偏低，因此天气必须作为设计的一个重要因素。

2012年5月，大家集思广益，一起讨论太阳能模型飞机的气动外形。首先被提及的是双尾撑布局，该布局能在一定程度上减小机翼弯矩，有效提高整机的强度和刚度。但经过进一步讨论，该方案被放弃。原因是相比常规布局的模型飞机，双尾撑不但偏重，而且机翼、双尾撑和平尾形成的矩形易变形，导致操纵性变差。最终，常规气动布局方案高票入选。

为了比较机翼对工作效率的影响，队员们设计制作了两架不同翼展的模型飞机。其中一架展弦比较大，翼展达到了5 040毫米，沿翼弦方向可铺设两排太阳能电池板，整副机翼能铺设60块；另一架展弦比稍小、翼展为4 374毫米，沿翼弦方向可铺设3排太阳能电池板，整副机翼能铺设78块。经过试飞，后者确定为最终的机翼设计方案。

考虑到直接铺设在机翼上表面虽然能让电池板更好地接收光照，却破坏了机翼翼型，降低了气动效率，而且电池板表面易沾染灰尘并氧化，因此把太阳能电池板改为铺设在机翼内部，并蒙上透明度高的蒙皮。根据以往经验，太阳能模型飞机的机翼在飞行时会发生扭曲形变。如果把太阳能电池板与机翼硬性连接，那么电池板极易发生脆性断裂。为此，在设计机翼结构时，有意让翼梁和两片翼肋形成的方格空间略大于太阳能电池板。在铺设时，电池板实际被安放在穿过翼肋并被拉紧的两根凯夫拉线上，并用少量胶水将板与线粘接牢固。

在动力方面，队员们对2011年太阳能模型飞机上使用的最大功率跟踪系统进行了改进。为选配螺旋桨和电机，先进行一系列测试（在恒定功率60瓦的情况下，分别测试静态和空速8米/秒时动力系统的拉力），最终选择了大直径盘式电机和16×6.5螺旋桨。

因为太阳能模型飞机必须滑跑起飞，所以在滑跑阶段应具有较强的加速能力，以使机体尽快达到起飞速度。然而光伏动力系统的输出功率有限，一旦光照不足，很可能就无法成功滑跑起飞。针对这个问题，队员们准备了两套方案。一是传统的小车助力滑跑，即将模型飞机安装在小车上，在滑跑时由螺旋桨提供动力，当模型滑跑到起飞速度时与小车分离。这套方案可省去起落架的重量，但在低光照度的情况下，模型飞机滑跑加速的能力较弱。另一套方案是动力轮式起落架，即在起落架上安装动力系统，滑跑阶段太阳能电池板的动力输出到轮式起落架上，驱动模型飞机加速；达到起飞速度后，动力输出切换到机头的螺旋桨上，为飞行提供动力。采用这种方式的优点是模型滑跑效率提高，动力轮式起落架的效率能达到90%左右，（螺旋桨提供滑跑动力的效率仅有10%-20%）。最终动力轮式起落架方案中选，起落架上装有一个低KV值的盘式电机，电机外包裹一圈海绵用作缓冲。

赛前，航模队在空旷的场地对太阳能模型飞机进行了飞行测试。当时的平均太阳光照度约45 000勒克斯，模型飞机载重400克，可轻松滑跑起飞并安全降落。然而到了比赛当天，光照度却只有15 000勒克斯，加上赛场跑道非常粗糙，导致动力轮式起落架颠簸得厉害，不能完全发挥作用。在滑跑速度较低的情况下，模型飞机需要更大的迎角才能顺利起飞，但参赛机的起落架高度不够，迎角一加大，模型飞机的机尾便会与地面发生摩擦。万分情急之下，队长临时决定加高起落架，调整机翼安装角，还削去了机尾损坏部分。在第3次复飞时，模型飞机终于成功离地升空。

2012年，西安交大航模队没有在这个项目上拿到名次。不过面对滑跑起飞的新挑战，队员们创新地设计运用了动力轮式起落架，完成了一次新的自我超越。

2013年，全新设计

2013年，比赛规则较2012年没有明显变化。比赛地点在浙江温州，光照强烈，但因临海的原因，海风比较大。在2012年的比赛中，虽然没有拿到名次，但看到了其他高校航模队参赛机优秀的气动设计和动力系统，于是航模队决定重新设计一架太阳能模型飞机。

2013年5月，备赛开始。与以往主要靠经验和简单的气动估算确定模型飞机参数的方式不同，这一年队员已经具备了气动估算和数值仿真校验能力。对太阳能模型飞机这种动力不足的飞行器来说，设计时合理的估算和建模极其重要。在选择方案设计时，队员们先以机翼尺寸为变量，对机翼赋予面积密度，然后通过气动估算得到升力，再用得出的升力和机翼重量估算出阻力，并与动力进行比较，选出最大载重比的方案。通过多次优化计算，得到机翼的最佳设计参数。接下来对模型飞机进行建模和数值模拟，一一校验机翼设计方案，完成机体气动外形的优化。再次进行迭代运算，最后完成模型飞机气动外形的设计。最终得出的太阳能模型飞机的翼展为4 654毫米，机长2 700毫米，可铺设66块太阳能电池板。这是航模队第一次通过数值仿真对模型的设计方案进行校验，不仅提高了工作效率，而且锻炼了队员的个人能力。

飞行器动力系统的设计和选配同样非常重要。队员们设计了一套自动化程度很高的螺旋桨测试系统，并编写了测试用软件。通过这套系统，设计者只需简单操作，就能对不同的螺旋桨、电机、减速器组合进行测试，计算出螺旋桨拉力、扭矩转速以及电机的电压和电流，得出效率最优的螺旋桨参数、减速比和电池板铺设方案。在设计过程中，队员们将理论与实际相结合，完成了动力系统的优化。不同于之前盘式电机直接驱动螺旋桨的方案，这次采用了普通电机加减速器的方法。与此同时，继续对最大功率跟踪系统进行改进，并应用在模型飞机上。

考虑到天气情况对模型起飞时性能的影响，航模队设计了两套起飞系统：一套是动力轮式起落架，另一套是利用小车起飞。在阳光照度充足的情况下，优先使用小车，以省去起落架的重量，增加模型飞机的载重比。如果阳光照度不充足，就使用动力轮式起落架，以让模型在滑跑起飞过程中获得良好的加速性能。

2013年8月，第1架试验机制作完成。试飞时阳光照度约为40 000勒克斯，模型飞机顺利滑跑起飞。正当大家带着喜悦看着这只“大鸟”在天空中翱翔时，模型飞机的机身突然断裂，整机立刻坠落。等找到试验机时，其机身已完全折断，所幸机翼损伤不大。队员们开始分析事故原因，认为主要是机身的设计强度不足所致，制作中的小瑕疵又加重了这一问题。随后对机身做了改进，增加了机翼强度，制作时也更加认真了。

2013年10月，到了检验全新设计的太阳能模型飞机性能的时候了。抵达赛场，才发现场地的海风比想象中更大。而太阳能模型飞机的翼载荷很小，很容易受到风的影响。而且比赛场地设在海边的一个堤坝上，用于滑跑起飞的跑道很窄，条件十分不利。果然，模型飞机刚一滑跑起飞，就在离地不到1米时被风吹到了跑道边的栏杆上。由于机体损坏严重，因此又得无奈退出了比赛。

赛后队员们都感觉遗憾。全新设計的太阳能模型飞机，还没有经过赛场真正的检验，就早早退出了比赛。总结这次比赛失利的原因，主要是过大的垂直面面积导致模型飞机抗侧风性能很差。全队暗下决心，改进设计，一定要让西安交大的太阳能模型飞机翱翔在来年赛场的蓝天上。

2014年，梦圆胶州

2014年，“科研类”全国航空航天模型锦标赛转战山东胶州，又是一个临海城市。这一年，西安交大航模队的参赛机基本延续了2013年的总体设计，只是稍微增大了副翼面积以获得更好的操控性，并取消了包围起落架的腹鳍以减小垂直面面积。设计工作很快完成，队员们又开始了紧张的制作和试飞。

2014年8月，第1架试验机完成。在试飞中，这架太阳能模型飞机载重滑跑起飞，并在足足飞行了15分钟后成功降落。这次试飞让队员们对模型的总体设计有了信心，之后的工作集中在机身和机翼的强度和可靠性的提高上。

2014年9月底，航模队来到胶州准备比赛。初到胶州的几天，天气阴沉，之后下起了小雨，这让大家对太阳能模型飞机项目有了些许担心。第一天比赛时，天气多云，天空中的云朵一直在动，阳光时有时无，光照度在60 000勒克斯和20 000勒克斯之间摇摆不定。所有参赛队都仰望天空，仔细观察云的位置，希望自己的参赛机能在阳光充足的时候起飞。但是老天爷又和西安交大航模队开了一个玩笑，模型飞机刚刚上跑道，一片云就遮住了太阳，光照度立刻跌至20 000勒克斯左右。因为比赛时间仅有5分钟，短时间内太阳没有出现，队员们只能硬着头皮让模型起飞，最终起飞失败、模型轻度损伤。第一天比赛结束后，队员们修好了模型飞机，期盼着第二天能有个好天气。

第二天，大家早早就起床查看天气情况。让人欣喜的是，当天艳阳高照，比赛时的光照度超过了80 000勒克斯，只是风也大了起来。队长果断地选择了2千克的载重。轮到西安交大航模队上场了，只见模型飞机在跑道上慢慢加速、拉起、平稳起飞。负责起飞工作的队员们激动地喊了声“好”，但操纵手却一点也不敢松懈。这时的场地风速较大，且受地形影响有些区域存在下降气流，对模型在空中平稳飞行造成威胁。由于模型飞机的起飞速度不大，因此在侧风影响下先下降了一段高度，然后缓慢爬升，终于抵达一个相对安全的高度。操纵手的嘴角泛起了一丝自信的微笑。此时，全场运动员都在关注空中翱翔的模型飞机，其出现一点颠簸就会引来观众一阵惊呼。“五、四、三、二、一，飞行时间已满15分钟，模型可以降落”，随着裁判员一声令下，所有队员都激动地跳了起来。4年的磨炼，一批批航模队员的付出，都是为了这一刻。西安交大航模队终于拿到了太阳能模型飞机飞行赛的冠军！

4年，是一个人的大学本科时光，也是西安交大航模队太阳能模型飞机的冲天历程。从最初的没有任何设计经验，到最终获得全国冠军，太阳能模型飞机项目，既见证了西安交大航模队的成长，也给每个队员的大学生涯中留下了一段珍贵、美好的回忆。