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作者:趙廣立 來源:中國科學報 發布時間:2021/5/24 19:19:14
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仿飛魚造飛機,“仿生飛魚飛機”飛上天

 

近日,同濟大學航空與力學學院學生嚴晴晴、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下,研制出了一架仿生飛魚無人機,并成功試飛。

同濟大學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《中國科學報》介紹,自然界中生物經過億萬年的自然選擇和進化,擁有了許多優良的特性,包括高效的氣動外形、可靠的內部結構、獨特的環境感知系統等。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舉;20世紀80年代,NASA艾姆斯研究中心的R.T.惠特科姆根據老鷹飛行時翼尖上翹的羽毛發明了翼梢小翼,這種結構可以降低飛機的誘導阻力。

“這些優良的特性對于人類的科技發展和產品設計有著相當大的參考價值。”沈海軍說,而飛魚就是自然界一大奇觀,它們為了躲避天敵,進化出了在水面高速滑翔的能力。出于現代飛機設計制造“師法自然”的理念,同濟大學航院學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驗。他多年研究仿形飛行器,帶領的課題組曾經成功設計并制造出“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,撤去牙簽后,飛魚的形態即可保持一定。

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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進行測量和三維掃描。經過測量,研制團隊準確獲得了飛魚的翼展、身長等幾何參數。沈海軍向《中國科學報》介紹,三維掃描采用非接觸式光學雙目立體掃描儀,獲得飛魚原始模型的點云數據,并通過Imageware軟件,構建出了飛魚模型的外形曲面;進而通過用逆向設計的方法,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計過程中起到了指導性的作用。”沈海軍說,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 中的相關指令,構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構模型的外形曲面。

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鍵。“為了獲得飛魚飛機的氣動性能,我們利用計算流體力學軟件在大型工作站上對飛魚進行了理論模擬與分析。”團隊成員鄒施睿告訴《中國科學報》記者,他們為了得到精準的理論數據,在飛魚計算流體模型中進行了結構網格的劃分。采用四面體形式的網格形式,全流場域內網格元素數量達到千萬級。其中,他們還對機翼和尾翼的前緣和后緣進行了網格加密,以提升計算精度。

經過數月的計算和數據整理,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/升阻比和穩定性曲線等一系列氣動性能數據。

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飛魚周邊壓力場分布,沈海軍供圖

計算數據顯示,飛魚的氣動性能十分優異,其機翼機身上表面流速較快,可形成低壓區,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。”研制團隊說。

沈海軍告訴記者,仿真結果還表明,飛魚的失速迎角可高達30度,超出了諸多現代飛機的失速迎角,表現出了極其出色的抗失速能力;最大升阻比可達25,遠超出現在的絕大多數飛機,氣動效率之高,令現代飛機黯然。

仿生飛魚飛機飛上藍天

萬事俱備,只欠“制作”。沈海軍說,按照一般結構設計要求,飛機的結構和制造工藝要盡可能簡單可靠,且重量足夠輕。

在飛魚飛機設計過程中,飛魚的胸鰭被設計成主機翼,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定性和航向運動;前下方設置有臀鰭,作為飛機水平安定面,用以維持飛機的俯仰穩定。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通過碳纖維管對接。在機頭部位預留了電機安裝支架,供安裝大馬力電機和螺旋槳之用。

據沈海軍介紹,飛魚飛機的結構由100余部件組成,每個部件做了減輕孔設計,以控制飛機的總重量。

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團隊學生、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、鋪設蒙板、打磨、貼迷彩蒙皮、加裝動力裝置與控制系統后,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構進行分析和仿生學設計,獲得了具有優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。

試飛現場,在緊張的試飛準備工作與調試完成后,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。飛機經過空中兩圈的巡航后,平穩緩慢地降落。在短暫的試飛中,飛機橫側、掉頭,表現的十分靈活,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的神奇魅力,對于人類發展和設計新型飛行器有重要價值。”沈海軍表示。

 
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