严晴晴 沈海军

 试飞团队合影。从左到右：汪成、邹施睿、李浩（试飞员）、严晴晴、曹日兴

大学的时光过得飞快，转眼间到了大四的毕业设计阶段，这是验证我们学习成果的时候。

我们小组的四位同学聚在一起，商量着毕业设计的课题。

作为同济大学航空航天与力学学院的学生、未来的航空人，我们小组的四位同学已经在一起完成了许多飞行器相关课题，包括“未来飞行器设计”“流体力学仿真”“飞行器结构设计”等等，培养出了深厚的友谊和默契。在毕业之际，我们都希望能充分运用自己所学的知识，将理论运用于实践，做一个综合性的课题。

带着这个想法，我们请教了课题组的指导老师——沈海军教授，希望能在研究方向上获得一些指点。

“我的一个研究生余翼，正在进行仿生飞鱼无人机的气动外形研究，已经取得了很大的进展，” 沈海军教授说，“飞鱼经过自然选择和进化，其形态对于人类的科技发展和产品设计有着相当大的参考价值，你们可以尝试研究制作仿生飞鱼无人机。”

破题

沈海军教授为我们点明了研究方向，我们感到设计制作一架全新的无人机，不仅能综合运用飞行器专业知识，更兼具趣味性和创新性。随后我们便联系了余翼学长，希望能在他的成果基础上进行拓展研究。

见到余翼学长时，他正在做计算机仿真。他热情地向我们介绍了仿生飞鱼无人机的气动外形。“我采用的是逆向设计的方法，通过非接触式光学双目立体扫描仪，对飞鱼进行了三维扫描，获得了飞鱼原始模型的点云数据。”

非接触式光学双目立体扫描仪是一种不直接接触物体，通过两部投影装置拍照、计算来获得目标物体上某些点三维坐标的设备。将获得点的三维坐标投影到三维空间里对应的位置，进而获得的位置云图数据，就是点云数据。

“然后我通过Imageware软件（著名的逆向工程软件），经过孔洞修复、补全软件创建曲面的误差、数据精简等步骤后，构建出了飞鱼模型的拟合曲面，也就是仿生飞鱼无人机的初步曲面外形，它能最大程度还原自然界中飞鱼的外形。”

说到这里，余翼学长顿了顿，“但你们应该都能看出，这个拟合曲面并不能直接用于现代飞机的外形设计。”

“是啊，它的翼根与机身连接面太小，强度不够。”我们的组员曹日兴思考着说。

“没错，”余翼学长点了点头，“所以我用现代飞机设计理念，对它的气动外形进行了改良。” 气动外形是指在气体介质中运动的物体，为减少运动阻力，而采用的适合在该介质中运动的外形。

在形态提取与设计过程中，余翼学长用自然界中飞鱼胸鳍的投影图来构建机翼，采用了统一的翼型GAW-1（一种用于通用航空飞机的先进翼型）;水平尾翼则采取了0度上反安装角。

机翼安装在机身上的角度称为安装角，它是机翼与水平线所成的角度，安装角向上的称为上反角。为了保持飞鱼的外观，机身保留了背部增稳尾及臀部增稳尾，这可增加飞机在飞行过程中的稳定性。

改良后的仿生飛鱼无人机外形，既保留了自然界中飞鱼的灵动，又增添了稳重的色彩。

“得到仿生飞鱼无人机气动外形后，我使用电脑软件Fluent（流体仿真软件）来计算气动性能，这就是我的仿真结果。”余翼学长点开图片给我们展示，“让人惊喜的是，仿生飞鱼无人机具有较优的气动性能，最大升力系数为1.6，失速迎角可以达到27°，最大升阻比高达26。”升力系数越大，飞机可以爬升得越高，回转时间也越短。大的失速迎角可以让飞机飞行时更加灵活机动。升阻比则是升力与阻力的比值，该值愈大说明飞行器的空气动力性能愈好。

在余翼学长的介绍中，我们还详细了解了仿生飞鱼无人机的优点：在低速飞行环境下能够更好地获得升力;具有较强的抗失速特性，在飞行过程中更加稳定和可靠;尾部不容易出现气流的分离，具有减小阻力的特性;机身上部会出现气流流速较快、压力较低的区域，能够产生额外的升力，对于整体升阻特性有积极的贡献。简而言之，就是仿生飞鱼无人机具有优秀的气动外形。

“我希望能制造出仿生飞鱼无人机，但碍于时间和精力没办法付诸实践，你们愿意把后续的研究作为毕设课题吗？”

听余翼学长这么说，我们都有些兴奋，“既然仿生飞鱼无人机拥这么优秀的结构外形，我们愿意对它的内部构造开展研究设计，希望能成功试飞！”

制作

确定了毕设题目，我们便分工行动。

曹日兴负责用CATIA软件（一款机械加工设计软件）进行内部构造的设计，建模过程为：机身隔框→机身主梁→机翼→尾翼。

在设计之初，我们便考虑到了激光切割机尺寸及无人机的装配运输问题，决定将其设置为可拆分结构。曹日兴将机身内部设计成14个机身隔框，隔框结构是飞机中常用的主要传力及承力结构。

拆分面被设计在机翼中段的七八隔框之间。事实证明，拆分后的无人机可以放在汽车后备厢，大大降低了运输成本。

为了符合飞鱼的外形特征，无人机的水平尾翼被大幅前移;为了保留飞鱼的运动特点，尾翼采用了全动垂尾，整个垂尾面都是可活动的。如此一来，原来的安定面和舵面被整合到一起，即整个垂尾只有一个面，这个面既具有安定面的稳定功能，同时也具有舵面的调节功能。

邹施睿进行的是结构强度分析，是无人机安全性和可靠性的保证。

“咦？”邹施睿看着ANSYS软件（有限元分析软件，可用于飞机结构强度分析）的分析结果皱了皱眉，“这个机翼结构不太行。”

待扫描的冷冻飞鱼

飞鱼原始模型的点云数据

曹日兴闻声便探过头去：“哪里有问题吗？”

“你看，机翼最大位移出现在最外侧翼肋面的连接处，也就是翼尖位置，位移量为7.44mm，是不是有点过大了？而且机翼的最大应力远远小于层板的许用应力，造成了强度的浪费。”

“嗯，你说得对，看来结构需要优化。” 曹日兴打开图纸准备进行修改，此时，我和汪成凑过头去。

“我对结构也有一点儿看法，”此时的我已经提取了外形数据，准备进行稳定性仿真，“飞鱼外形的横向稳定性由背鳍和臀鳍控制，因此这两处应该进行加固。还有副翼、垂尾，它们是改变飞行姿态的主要操纵面，也应该加固。”

我的话音刚落，汪成就开口道：“还有这里。”他指向机身的2号隔框;“这里与电机直接相连，承受电机的主要拉力，需要加固，我建议采用4mm椴木层板。”

“另外，小曹同学，我需要估算无人机重量，以选择电机和螺旋桨。”负责动力系统和电子设备的汪成说。

“我也需要无人机重量和降落的加速度，来进行起落架强度分析。”邹施睿看向我和曹日兴。

小曹闻言和我相视一笑，初步的气动和结构分析是后续工作开展的基础，前期我们俩是最为忙碌的。

由于我们四人工作的侧重点不同，相互之间的协调妥协是少不了的。例如汪成重视续航性能，就要强调结构减重;而邹施睿重视结构强度，要对主承力部件进行加强;我为了气动外形的流畅，希望增加边肋、半肋;曹日兴为了装配时部件不相互干涉，需要减少部分多余约束……

我们小组四人就像四个微型的飞机设计部门，在不断地争论和协调中，仿生飞鱼无人机的雏形渐渐完善，性能一步步优化。

经过两个月的努力，机身设计终于定稿，100余个部件已经万事俱备，只欠“制作”。

激光切割材料零件

贴迷彩贴纸

畢设答辩

曹日兴将三维CAD模型各部件投影成二维工程图，便得到了激光切割的零件加工图纸，再经过激光切割，得到激光切割飞机模型零件。我们对零件进行组装、胶水固定、铺设蒙板、打磨、贴迷彩蒙皮、加装动力装置与控制系统后，一架仿生飞鱼无人机便大功告成。

完成后的仿飞鱼无人机外形线条流畅，结构牢固。它的翼展1.5米、身长1.8米，采用后三点起落架布局，安装了双叶高效率螺旋桨，由一枚大功率电机和6S锂电池（22.2V电压）提供动力。

试飞

制作完成后，下一步就是试飞。经沈海军老师的建议，我们把试飞地点定在上海松山区佘山附近的玄风航空飞行基地。该飞行基地是上海地区政府指定的试飞点，拥有一条200米的跑道，以及一片宽阔的空域，完全能满足试飞需求。

沈老师还为我们介绍了一位资深飞行员——李浩。李老师拥有专业的飞行执照，他丰富的飞行经验能为我们的试飞保驾护航。

试飞现场，在紧张的准备工作与调试完成后，飞机在地面滑跑约50米后达到起飞速度，经过3秒左右的爬升后，到达30米的安全飞行高度，在空中绕场飞行。平飞速度约为70千米每时，巡航迎角保持在5°，飞行姿态稳定。

在前期飞行中，仿生飞鱼无人机的转弯姿态都比较顺滑，在最后一次转弯时，无人机受侧风影响，机体左右摇摆，看得大家心惊不已。

无人机的稳定性是由我负责的，它的各项稳定仿真结果不仅符合设计标准，更是称得上优秀，我充分相信它的“实力”，并不怎么担心。

果不其然，仿生飞鱼无人机在平飞后很快恢复了飞行姿态。

降落阶段，在李老师的操作下，无人机对准跑道，经过6秒下降到2米左右，以8米/秒的速度贴地飞行，最终以平稳的姿态在跑道上降落。

试飞的成功让我们兴奋不已，余翼学长也在第一时间发来了祝贺。在理论模拟和验证机制作试飞过程中，仿生飞鱼无人机都表现出了优秀的性能，我们的成果有望运用于未来的无人飞行器设计乃至小型有人飞行器设计中。

“研制仿生飞鱼无人机，并让其飞上蓝天，是一件激动人心的事。这项工作展示了仿生飞行学的神奇魅力，对于发展和设计新型飞行器有重要价值。”沈海军老师表示。

责任编辑：曹晓晨