最近，同濟大學(xué)航空與力學(xué)學(xué)院學(xué)生團隊設(shè)計、制作的“仿飛魚電動飛機”獲得全國高校航空航天類專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計成果一等獎。這款無人機模仿飛魚的生理結(jié)構(gòu)，氣動性能優(yōu)良，在佘山附近的玄風(fēng)航空飛行基地成功試飛。指導(dǎo)老師沈海軍教授表示：“這項工作展示了仿生飛行學(xué)的神奇魅力，對于新型飛行器的設(shè)計也有一定價值?！?/p>
團隊學(xué)生與試飛員合影。
據(jù)介紹，很多會飛的生物擁有許多優(yōu)良的特性，如高效的氣動外形、精巧的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、獨特的環(huán)境感知系統(tǒng)，這些特性對于人類設(shè)計飛行器有相當(dāng)大的參考價值。同濟大學(xué)本科生汪成、嚴(yán)晴晴、曹日興、鄒施睿、余翼等人在沈海軍教授的指導(dǎo)下，選擇飛魚作為飛行器設(shè)計的仿生對象。據(jù)介紹，飛魚擁有很長的胸鰭，一直延伸到尾部，像鳥的翅膀一樣。它能躍出水面十幾米，并在空中停留40多秒，在海面上滑翔的最遠(yuǎn)距離可達(dá)400多米。
飛魚（來源：百度百科）
能否師法自然，打造出一款能在空中滑翔的“機器飛魚”？為了獲得飛魚的氣動外形，同濟大學(xué)課題組特地前往海南，買了4條鮮活的飛魚。他們先將魚的胸鰭和腹鰭用牙簽固定，再放入冰箱冷凍室一段時間，撤去牙簽后，飛魚的形態(tài)就固定了下來。
待掃描的冷凍飛魚
課題組對飛魚進(jìn)行了測量和三維掃描，獲得了翼展、身長等幾何參數(shù)以及原始模型的點云數(shù)據(jù)，再利用Imageware軟件，構(gòu)建出飛魚模型的外形曲面。課題組進(jìn)而利用逆向設(shè)計的方法，獲得了飛魚生物體的原始模型。在CATIA軟件中，原始模型展現(xiàn)出特征曲線。課題組經(jīng)過一系列技術(shù)處理，利用軟件構(gòu)建了新的曲面，并拼合成整體，得到飛魚各部分的氣動外形模型。
修正前和修正后的飛魚曲面模型
“為了掌握飛魚飛機的氣動性能，同學(xué)們利用計算流體力學(xué)軟件，在大型工作站上對飛魚進(jìn)行了理論模擬與分析?！鄙蚝＼娬f。經(jīng)過數(shù)月的計算和數(shù)據(jù)整理，他們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)。
計算數(shù)據(jù)顯示，飛魚飛機氣動性能優(yōu)良，其機翼和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。主機翼（胸鰭）和平尾（腹鰭）之間氣流的干涉，使飛魚獲得額外的升力，這就是飛魚能長時間滑翔的秘密。
仿真結(jié)果還顯示，飛魚的失速迎角高達(dá)30度，超出了很多現(xiàn)代飛機的失速迎角，表現(xiàn)出非常出色的抗失速能力。它的最大升阻比為25，遠(yuǎn)超出絕大多數(shù)現(xiàn)代飛機，氣動效率非常高。
在深入研究的基礎(chǔ)上，課題組設(shè)計了飛魚飛機的結(jié)構(gòu)。機身設(shè)置14個隔框，分為前機身和后機身兩個部分。飛魚的胸鰭被設(shè)計成主機翼，用于提供飛機的升力；左右機翼各包含9個翼肋，尾緣設(shè)計有副翼，用來控制飛機的橫滾運動；在前機身左右兩側(cè)，機翼通過碳纖維管對接。機頭預(yù)留了電機安裝支架，供安裝大馬力電機和螺旋槳之用；后機身上方的背鰭和末端的尾鰭，分別充當(dāng)飛機的垂直安定面和全動方向舵，用于保證航向穩(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，維持飛機的俯仰穩(wěn)定。整架飛機由100多個部件組成，每個部件都做了減輕孔設(shè)計，以控制總重量。
仿飛魚電動飛機試飛成功。
完成制作的飛魚飛機翼展1.5米，身長1.8米，后三點起落架布局，裝有雙葉高效率螺旋槳，由一臺大功率電機和6S鋰電池提供動力。啟動、滑跑、加速……近日在試飛現(xiàn)場，這架凝結(jié)著同濟師生心血的飛機一躍而起，在空中順利巡航了兩圈，隨后平穩(wěn)緩慢地降落。在短暫的試飛過程中，飛機完成了橫側(cè)和掉頭，表現(xiàn)得十分靈活和穩(wěn)定。
欄目主編：黃海華 文字編輯：俞陶然
來源：作者：俞陶然
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