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仿飛魚造飛機，“仿生飛魚飛機”飛上天

 小飛俠cawdbof0 2022-10-13 發(fā)布于北京
近日，同濟大學(xué)航空與力學(xué)學(xué)院學(xué)生嚴晴晴、鄒施睿、曹日興、汪成、余翼等人組成的團隊，在該院教授沈海軍指導(dǎo)下，研制出了一架仿生飛魚無人機，并成功試飛。

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同濟大學(xué)師生研制的仿生飛魚飛機，沈海軍供圖

做一架仿生飛魚無人機
仿生無人機是一種“師法自然”的飛行器。沈海軍向《中國科學(xué)報》介紹，自然界中生物經(jīng)過億萬年的自然選擇和進化，擁有了許多優(yōu)良的特性，包括高效的氣動外形、可靠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、獨特的環(huán)境感知系統(tǒng)等。他舉例說，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創(chuàng)舉；20世紀80年代，NASA艾姆斯研究中心的R.T.惠特科姆根據(jù)老鷹飛行時翼尖上翹的羽毛發(fā)明了翼梢小翼，這種結(jié)構(gòu)可以降低飛機的誘導(dǎo)阻力。

“這些優(yōu)良的特性對于人類的科技發(fā)展和產(chǎn)品設(shè)計有著相當大的參考價值?！鄙蚝＼娬f，而飛魚就是自然界一大奇觀，它們?yōu)榱硕惚芴鞌?，進化出了在水面高速滑翔的能力。出于現(xiàn)代飛機設(shè)計制造“師法自然”的理念，同濟大學(xué)航院學(xué)生團隊萌生了研制仿生飛魚無人機的想法。

沈海軍在這方面有豐富的經(jīng)驗。他多年研究仿形飛行器，帶領(lǐng)的課題組曾經(jīng)成功設(shè)計并制造出“古埃及木鳥”“瑪雅黃金飛機”等無人機并成功試飛。在微小飛行器實驗室，沈海軍已收納了上千架原創(chuàng)飛行器模型。
說干就干。為了獲得飛魚的氣動外形，課題組特地在海南購買了4條鮮活的飛魚。在飛魚原始模型構(gòu)建過程中，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)即可保持一定。

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待掃描的冷凍飛魚，沈海軍供圖

接下來是對飛魚形態(tài)進行測量和三維掃描。經(jīng)過測量，研制團隊準確獲得了飛魚的翼展、身長等幾何參數(shù)。沈海軍向《中國科學(xué)報》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云數(shù)據(jù)，并通過Imageware軟件，構(gòu)建出了飛魚模型的外形曲面；進而通過用逆向設(shè)計的方法，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人機設(shè)計過程中起到了指導(dǎo)性的作用?！鄙蚝＼娬f，基于掃描的飛魚生原始模型，在CATIA軟件中，通過相交及投影的方法，即可獲得飛魚模型的特征曲線，然后再利用樣條曲線對這些特征曲線進行擬合，進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外形模型。
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修正前的飛魚曲面模型，沈海軍供圖
沈海軍介紹說，仿生飛魚無人機氣動外形一方面可以在后續(xù)使用電腦軟件計算氣動性能，另一方面用來作為三維飛魚結(jié)構(gòu)模型的外形曲面。

揭示飛魚可長時間滑翔的秘密

飛魚飛機的氣動性能如何，是決定它能否順利起飛的關(guān)鍵?！盀榱双@得飛魚飛機的氣動性能，我們利用計算流體力學(xué)軟件在大型工作站上對飛魚進行了理論模擬與分析?！眻F隊成員鄒施睿告訴《中國科學(xué)報》記者，他們?yōu)榱说玫骄珳实睦碚摂?shù)據(jù)，在飛魚計算流體模型中進行了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分。采用四面體形式的網(wǎng)格形式，全流場域內(nèi)網(wǎng)格元素數(shù)量達到千萬級。其中，他們還對機翼和尾翼的前緣和后緣進行了網(wǎng)格加密，以提升計算精度。

經(jīng)過數(shù)月的計算和數(shù)據(jù)整理，團隊最終獲得了飛魚飛機的表面壓力、流場、壓力場，以及升力/阻力/升阻比和穩(wěn)定性曲線等一系列氣動性能數(shù)據(jù)。

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飛魚周邊壓力場分布，沈海軍供圖

計算數(shù)據(jù)顯示，飛魚的氣動性能十分優(yōu)異，其機翼機身上表面流速較快，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時間滑翔的秘密?！毖兄茍F隊說。
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30度，超出了諸多現(xiàn)代飛機的失速迎角，表現(xiàn)出了極其出色的抗失速能力；最大升阻比可達25，遠超出現(xiàn)在的絕大多數(shù)飛機，氣動效率之高，令現(xiàn)代飛機黯然。
仿生飛魚飛機飛上藍天
萬事俱備，只欠“制作”。沈海軍說，按照一般結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，飛機的結(jié)構(gòu)和制造工藝要盡可能簡單可靠，且重量足夠輕。

在飛魚飛機設(shè)計過程中，飛魚的胸鰭被設(shè)計成主機翼，用于提供飛機的升力；后機身上方的背鰭和末端的尾鰭，分別充當飛機的垂直安定面和全動方向舵，用于保證飛機的航向穩(wěn)定性和航向運動；前下方設(shè)置有臀鰭，作為飛機水平安定面，用以維持飛機的俯仰穩(wěn)定。其中，在左右主機翼上各包含了三個墻和9個翼肋，尾緣設(shè)計有副翼，用來控制飛機的橫滾運動；機翼在前機身左右兩側(cè)通過碳纖維管對接。在機頭部位預(yù)留了電機安裝支架，供安裝大馬力電機和螺旋槳之用。

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

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團隊學(xué)生、試飛員與飛魚飛機合影，沈海軍供圖
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)過激光切割，即可得到激光切割飛機模型零件。研制團隊對零件組裝、膠水固定、鋪設(shè)蒙板、打磨、貼迷彩蒙皮、加裝動力裝置與控制系統(tǒng)后，一架飛魚飛機便大功告成。

最終，研制團隊通過對飛魚的氣動外形和結(jié)構(gòu)進行分析和仿生學(xué)設(shè)計，獲得了具有優(yōu)異氣動外形的無人機。完成后的飛魚飛機翼展1.5米，身長1.8米，后三點起落架布局，安裝了雙葉高效率螺旋槳，由一枚大功率電機和6S鋰電池提供動力。

試飛定在上海松山區(qū)佘山附近的玄風航空飛行基地進行。該飛行基地是上海地區(qū)官方指定的試飛點，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，在緊張的試飛準備工作與調(diào)試完成后，飛機滑跑至跑道一端。隨著一聲令下，飛機啟動、滑跑、加速，最終一躍而起。飛機經(jīng)過空中兩圈的巡航后，平穩(wěn)緩慢地降落。在短暫的試飛中，飛機橫側(cè)、掉頭，表現(xiàn)的十分靈活，最終緩緩落地，飛機安然無損。

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飛上藍天的仿生飛魚飛機，沈海軍供圖
“研制仿生飛魚飛機，并讓其飛上藍天，是一項激動人心的事。這項工作展示了仿生飛行學(xué)的神奇魅力，對于人類發(fā)展和設(shè)計新型飛行器有重要價值?！鄙蚝＼姳硎尽?/span>

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