近日，同濟(jì)大學(xué)航空與力學(xué)學(xué)院學(xué)生嚴(yán)晴晴、鄒施睿、曹日興、汪成、余翼等人組成的團(tuán)隊(duì)，在該院教授沈海軍指導(dǎo)下，研制出了一架仿生飛魚無(wú)人機(jī)，并成功試飛。

做一架仿生飛魚無(wú)人機(jī)

仿生無(wú)人機(jī)是一種“師法自然”的飛行器。沈海軍向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，自然界中生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然選擇和進(jìn)化，擁有了許多優(yōu)良的特性，包括高效的氣動(dòng)外形、可靠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的環(huán)境感知系統(tǒng)等。他舉例說(shuō)，1934年克萊斯勒公司造出的氣流牌汽車是世界上第一輛流線型車，是汽車造型史上的重要?jiǎng)?chuàng)舉;20世紀(jì)80年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心的R.T.惠特科姆根據(jù)老鷹飛行時(shí)翼尖上翹的羽毛發(fā)明了翼梢小翼，這種結(jié)構(gòu)可以降低飛機(jī)的誘導(dǎo)阻力。

“這些優(yōu)良的特性對(duì)于人類的科技發(fā)展和產(chǎn)品設(shè)計(jì)有著相當(dāng)大的參考價(jià)值。”沈海軍說(shuō)，而飛魚就是自然界一大奇觀，它們?yōu)榱硕惚芴鞌常M(jìn)化出了在水面高速滑翔的能力。出于現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)制造“師法自然”的理念，同濟(jì)大學(xué)航院學(xué)生團(tuán)隊(duì)萌生了研制仿生飛魚無(wú)人機(jī)的想法。

沈海軍在這方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)。他多年研究仿形飛行器，帶領(lǐng)的課題組曾經(jīng)成功設(shè)計(jì)并制造出“古埃及木鳥”“瑪雅黃金飛機(jī)”等無(wú)人機(jī)并成功試飛。在微小飛行器實(shí)驗(yàn)室，沈海軍已收納了上千架原創(chuàng)飛行器模型。

說(shuō)干就干。為了獲得飛魚的氣動(dòng)外形，課題組特地在海南購(gòu)買了4條鮮活的飛魚。在飛魚原始模型構(gòu)建過(guò)程中，他們先將飛魚的胸鰭和腹鰭拿牙簽固定、放入冰箱冷凍室凍結(jié)，撤去牙簽后，飛魚的形態(tài)得以保持。

接下來(lái)是對(duì)飛魚形態(tài)進(jìn)行測(cè)量和三維掃描。經(jīng)過(guò)測(cè)量，研制團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)確獲得了飛魚的翼展、身長(zhǎng)等幾何參數(shù)。沈海軍向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》介紹，三維掃描采用非接觸式光學(xué)雙目立體掃描儀，獲得飛魚原始模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過(guò)Imageware軟件，構(gòu)建出了飛魚模型的外形曲面;進(jìn)而用逆向設(shè)計(jì)的方法，獲得飛魚生物體的原始模型。

“飛魚原始擬合曲面在仿生飛魚無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中起到了指導(dǎo)性的作用。”沈海軍說(shuō)，基于掃描的飛魚仿生原始模型，在CATIA軟件中，通過(guò)相交及投影的方法，即可獲得飛魚模型的特征曲線，然后再利用樣條曲線對(duì)這些特征曲線進(jìn)行擬合，進(jìn)而得到光順的特征曲線。最后，利用 CATIA 中的相關(guān)指令，構(gòu)建新的曲面并拼合成整體，得到了飛魚各部分的氣動(dòng)外形模型。

沈海軍介紹說(shuō)，仿生飛魚無(wú)人機(jī)氣動(dòng)外形一方面可以在后續(xù)使用電腦軟件計(jì)算氣動(dòng)性能，另一方面用來(lái)作為三維飛魚結(jié)構(gòu)模型的外形曲面。

揭示飛魚可長(zhǎng)時(shí)間滑翔的秘密

飛魚無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)性能如何，是決定它能否順利起飛的關(guān)鍵。“為了獲得飛魚無(wú)人機(jī)的氣動(dòng)性能，我們利用計(jì)算流體力學(xué)軟件在大型工作站上對(duì)飛魚進(jìn)行了理論模擬與分析。”團(tuán)隊(duì)成員鄒施睿告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者，他們?yōu)榱说玫骄珳?zhǔn)的理論數(shù)據(jù)，在飛魚計(jì)算流體模型中進(jìn)行了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分。采用四面體形式的網(wǎng)格形式，全流場(chǎng)域內(nèi)網(wǎng)格元素?cái)?shù)量達(dá)到千萬(wàn)級(jí)。其間，他們還對(duì)機(jī)翼和尾翼的前緣和后緣進(jìn)行了網(wǎng)格加密，以提升計(jì)算精度。

經(jīng)過(guò)數(shù)月的計(jì)算和數(shù)據(jù)整理，團(tuán)隊(duì)最終獲得了飛魚無(wú)人機(jī)的表面壓力、流場(chǎng)、壓力場(chǎng)，以及升力/阻力/升阻比和穩(wěn)定性曲線等一系列氣動(dòng)性能數(shù)據(jù)。

計(jì)算數(shù)據(jù)顯示，飛魚的氣動(dòng)性能十分優(yōu)異，其機(jī)翼機(jī)身上表面流速較快，可形成低壓區(qū)，為飛魚提供充裕的升力。由于主機(jī)翼(胸鰭)和平尾(腹鰭)之間氣流的干涉，使得飛魚獲得了額外的升力。

“這為我們揭開了飛魚可長(zhǎng)時(shí)間滑翔的秘密。”研制團(tuán)隊(duì)成員說(shuō)。

沈海軍告訴記者，仿真結(jié)果還表明，飛魚的失速迎角可高達(dá)30度，超出了諸多現(xiàn)代飛機(jī)的失速迎角，表現(xiàn)出了極其出色的抗失速能力;最大升阻比可達(dá)25，遠(yuǎn)超出現(xiàn)在的絕大多數(shù)飛機(jī)。

仿生飛行學(xué)的魅力

萬(wàn)事俱備，只欠“制作”。沈海軍說(shuō)，按照一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和制造工藝要盡可能簡(jiǎn)單可靠，且重量足夠輕。

在飛魚無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，飛魚的胸鰭被設(shè)計(jì)成主機(jī)翼，用于提供其升力;后機(jī)身上方和末端分別仿飛魚的背鰭和尾鰭，充當(dāng)無(wú)人機(jī)的垂直安定面和全動(dòng)方向舵，用于保證其航向穩(wěn)定性和航向運(yùn)動(dòng);前下方設(shè)置有“臀鰭”，作為其水平安定面，用以維持它的俯仰穩(wěn)定。其中，在左右主機(jī)翼上各包含了三個(gè)墻和9個(gè)翼肋，尾緣設(shè)計(jì)有副翼，用來(lái)控制其橫滾運(yùn)動(dòng);機(jī)翼在前機(jī)身左右兩側(cè)通過(guò)碳纖維管對(duì)接。在機(jī)頭部位預(yù)留了電機(jī)安裝支架，供安裝大馬力電機(jī)和螺旋槳之用。

據(jù)沈海軍介紹，飛魚無(wú)人機(jī)的結(jié)構(gòu)由100余部件組成，每個(gè)部件做了減輕孔設(shè)計(jì)，以控制飛機(jī)的總重量。

此外，將三維CAD模型各部件投影成二維工程圖，便可得到激光切割的零件加工圖紙。經(jīng)過(guò)激光切割，即可得到激光切割飛機(jī)模型零件。研制團(tuán)隊(duì)對(duì)零件組裝、膠水固定、鋪設(shè)蒙板、打磨、貼迷彩蒙皮、加裝動(dòng)力裝置與控制系統(tǒng)后，一架飛魚無(wú)人機(jī)便大功告成。

最終，研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)飛魚的氣動(dòng)外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和仿生學(xué)設(shè)計(jì)，獲得了具有優(yōu)異氣動(dòng)外形的無(wú)人機(jī)。完成后的飛魚無(wú)人機(jī)翼展1.5米、身長(zhǎng)1.8米，后三點(diǎn)起落架布局，安裝了雙葉高效率螺旋槳，由一枚大功率電機(jī)和6S鋰電池提供動(dòng)力。

試飛定在上海松山區(qū)佘山附近的玄風(fēng)航空飛行基地進(jìn)行。該飛行基地是上海地區(qū)官方指定的試飛點(diǎn)，擁有一條200米的跑道，以及一片寬闊的空域，完全滿足試飛需求。

試飛現(xiàn)場(chǎng)，在緊張的試飛準(zhǔn)備工作與調(diào)試完成后，隨著一聲令下，飛機(jī)啟動(dòng)、滑跑、加速，最終一躍而起。無(wú)人機(jī)經(jīng)過(guò)空中兩圈的巡航后，平穩(wěn)緩慢地降落。在短暫的試飛中，無(wú)人機(jī)橫側(cè)、掉頭，表現(xiàn)得十分靈活，最終安然落地。

“研制仿生飛魚無(wú)人機(jī)，并讓其飛上藍(lán)天，是一件激動(dòng)人心的事。這項(xiàng)工作展示了仿生飛行學(xué)的神奇魅力，對(duì)于人類發(fā)展和設(shè)計(jì)新型飛行器有重要價(jià)值。”沈海軍表示。

記者 趙廣立