最近，同濟(jì)大學(xué)航空與力學(xué)學(xué)院學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)、制作的“仿飛魚電動(dòng)飛機(jī)”獲得全國高校航空航天類專業(yè)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)成果一等獎(jiǎng)。這款無人機(jī)模仿飛魚的生理結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)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(xiàng)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(jì)也有一定價(jià)值。”

團(tuán)隊(duì)學(xué)生與試飛員合影。

據(jù)介紹，很多會(huì)飛的生物擁有許多優(yōu)良的特性，如高效的氣動(dòng)外形、精巧的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、獨(dú)特的環(huán)境感知系統(tǒng)，這些特性對于人類設(shè)計(jì)飛行器有相當(dāng)大的參考價(jià)值。同濟(jì)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(jì)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(jī)器飛魚”？為了獲得飛魚的氣動(dòng)外形，同濟(jì)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(shí)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(diǎn)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(jì)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(dòng)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(jī)的氣動(dòng)性能，同學(xué)們利用計(jì)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(jì)算和數(shù)據(jù)整理，他們最終獲得了飛魚飛機(jī)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(dòng)性能數(shù)據(jù)。

計(jì)算數(shù)據(jù)顯示，飛魚飛機(jī)氣動(dòng)性能優(yōu)良，其機(jī)翼和機(jī)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(jī)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(shí)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(jī)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(jī)，氣動(dòng)效率非常高。

在深入研究的基礎(chǔ)上，課題組設(shè)計(jì)了飛魚飛機(jī)的結(jié)構(gòu)。機(jī)身設(shè)置14個(gè)隔框，分為前機(jī)身和后機(jī)身兩個(gè)部分。飛魚的胸鰭被設(shè)計(jì)成主機(jī)翼，用于提供飛機(jī)的升力；左右機(jī)翼各包含9個(gè)翼肋，尾緣設(shè)計(jì)有副翼，用來控制飛機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)；在前機(jī)身左右兩側(cè)，機(jī)翼通過碳纖維管對接。機(jī)頭預(yù)留了電機(jī)安裝支架，供安裝大馬力電機(jī)和螺旋槳之用；后機(jī)身上方的背鰭和末端的尾鰭，分別充當(dāng)飛機(jī)的垂直安定面和全動(dòng)方向舵，用于保證航向穩(wěn)定性和航向運(yùn)動(dòng)；前下方設(shè)置有臀鰭，作為飛機(jī)水平安定面，維持飛機(jī)的俯仰穩(wěn)定。整架飛機(jī)由100多個(gè)部件組成，每個(gè)部件都做了減輕孔設(shè)計(jì)，以控制總重量。

仿飛魚電動(dòng)飛機(jī)試飛成功。

完成制作的飛魚飛機(jī)翼展1.5米，身長1.8米，后三點(diǎn)起落架布局，裝有雙葉高效率螺旋槳，由一臺(tái)大功率電機(jī)和6S鋰電池提供動(dòng)力。啟動(dòng)、滑跑、加速……近日在試飛現(xiàn)場，這架凝結(jié)著同濟(jì)師生心血的飛機(jī)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(jī)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