團隊學生、試飛員與飛魚無人機合影。瀋海軍供圖
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、餘翼等人組成的團隊，在該院教授瀋海軍指導下，研製出了一架仿生飛魚無人機，併成功試飛。
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。瀋海軍向《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，美國國家航空航天局（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髮明瞭翼梢小翼，這種結構可以降低飛機的誘導阻力。
“這些優良的特性對於人類的科技發展和產品設計有著相當大的參考價值。”瀋海軍說，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。出於現代飛機設計製造“師法自然”的理念，同濟大學航院學生團隊萌生了研製仿生飛魚無人機的想法。
瀋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並製造出“古埃及木鳥”“瑪雅黃金飛機”等無人機併成功試飛。在微小飛行器實驗室，瀋海軍已收納了上千架原創飛行器模型。
說幹就幹。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籤固定、放入冰箱冷凍室凍結，撤去牙籤後，飛魚的形態得以保持。
接下來是對飛魚形態進行測量和三維掃描。經過測量，研製團隊準確獲得了飛魚的翼展、身長等幾何引數。瀋海軍向《中國科學報》介紹，三維掃描採用非接觸式光學雙目立體掃描器，獲得飛魚原始模型的點雲資料，並透過Imageware軟體，構建出了飛魚模型的外形曲面；進而用逆向設計的方法，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。”瀋海軍說，基於掃描的飛魚仿生原始模型，在CATIA軟體中，透過相交及投影的方法，即可獲得飛魚模型的特徵曲線，然後再利用樣條曲線對這些特徵曲線進行擬合，進而得到光順的特徵曲線。最後，利用 CATIA 中的相關指令，構建新的曲面並拼合成整體，得到了飛魚各部分的氣動外形模型。
瀋海軍介紹說，仿生飛魚無人機氣動外形一方面可以在後續使用電腦軟體計算氣動效能，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
飛魚無人機的氣動效能如何，是決定它能否順利起飛的關鍵。“為了獲得飛魚無人機的氣動效能，我們利用計算流體力學軟體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資料，在飛魚計算流體模型中進行了結構網格的劃分。採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。其間，他們還對機翼和尾翼的前緣和後緣進行了網格加密，以提升計算精度。
經過數月的計算和資料整理，團隊最終獲得了飛魚無人機的表面壓力、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效能資料。
計算資料顯示，飛魚的氣動效能十分優異，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。由於主機翼（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。”研製團隊成員說。
瀋海軍告訴記者，模擬結果還表明，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。
仿生飛行學的魅力
萬事俱備，只欠“製作”。瀋海軍說，按照一般結構設計要求，飛機的結構和製造工藝要儘可能簡單可靠，且重量足夠輕。
在飛魚無人機設計過程中，飛魚的胸鰭被設計成主機翼，用於提供其升力；後機身上方和末端分別仿飛魚的背鰭和尾鰭，充當無人機的垂直安定面和全動方向舵，用於保證其航向穩定性和航向運動；前下方設定有“臀鰭”，作為其水平安定面，用以維持它的俯仰穩定。其中，在左右主機翼上各包含了三個牆和9個翼肋，尾緣設計有副翼，用來控制其橫滾運動；機翼在前機身左右兩側透過碳纖維管對接。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。
據瀋海軍介紹，飛魚無人機的結構由100餘部件組成，每個部件做了減輕孔設計，以控制飛機的總重量。
此外，將三維CAD模型各部件投影成二維工程圖，便可得到鐳射切割的零件加工圖紙。經過鐳射切割，即可得到鐳射切割飛機模型零件。研製團隊對零件組裝、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後，一架飛魚無人機便大功告成。
最終，研製團隊透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。完成後的飛魚無人機翼展1。5米、身長1。8米，後三點起落架佈局，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除錯完成後，隨著一聲令下，飛機啟動、滑跑、加速，最終一躍而起。無人機經過空中兩圈的巡航後，平穩緩慢地降落。在短暫的試飛中，無人機橫側、掉頭，表現得十分靈活，最終安然落地。
“研製仿生飛魚無人機，並讓其飛上藍天，是一件激動人心的事。這項工作展示了仿生飛行學的神奇魅力，對於人類發展和設計新型飛行器有重要價值。”瀋海軍表示。
