团队学生与试飞员合影。
飞鱼(来源:百度百科)
能否师法自然,打造出一款能在空中滑翔的“机器飞鱼”?为了获得飞鱼的气动外形,同济大学课题组特地前往海南,买了4条鲜活的飞鱼。他们先将鱼的胸鳍和腹鳍用牙签固定,再放入冰箱冷冻室一段时间,撤去牙签后,飞鱼的形态就固定了下来。
待扫描的冷冻飞鱼
课题组对飞鱼进行了测量和三维扫描,获得了翼展、身长等几何参数以及原始模型的点云数据,再利用Imageware软件,构建出飞鱼模型的外形曲面。课题组进而利用逆向设计的方法,获得了飞鱼生物体的原始模型。在CATIA软件中,原始模型展现出特征曲线。课题组经过一系列技术处理,利用软件构建了新的曲面,并拼合成整体,得到飞鱼各部分的气动外形模型。
修正前和修正后的飞鱼曲面模型
“为了掌握飞鱼飞机的气动性能,同学们利用计算流体力学软件,在大型工作站上对飞鱼进行了理论模拟与分析。”沈海军说。经过数月的计算和数据整理,他们最终获得了飞鱼飞机的表面压力、流场、压力场,以及升力、阻力、升阻比和稳定性曲线等一系列气动性能数据。
计算数据显示,飞鱼飞机气动性能优良,其机翼和机身上表面流速较快,可形成低压区,为飞鱼提供充裕的升力。主机翼(胸鳍)和平尾(腹鳍)之间气流的干涉,使飞鱼获得额外的升力,这就是飞鱼能长时间滑翔的秘密。
仿真结果还显示,飞鱼的失速迎角高达30度,超出了很多现代飞机的失速迎角,表现出非常出色的抗失速能力。它的最大升阻比为25,远超出绝大多数现代飞机,气动效率非常高。
在深入研究的基础上,课题组设计了飞鱼飞机的结构。机身设置14个隔框,分为前机身和后机身两个部分。飞鱼的胸鳍被设计成主机翼,用于提供飞机的升力;左右机翼各包含9个翼肋,尾缘设计有副翼,用来控制飞机的横滚运动;在前机身左右两侧,机翼通过碳纤维管对接。机头预留了电机安装支架,供安装大马力电机和螺旋桨之用;后机身上方的背鳍和末端的尾鳍,分别充当飞机的垂直安定面和全动方向舵,用于保证航向稳定性和航向运动;前下方设置有臀鳍,作为飞机水平安定面,维持飞机的俯仰稳定。整架飞机由100多个部件组成,每个部件都做了减轻孔设计,以控制总重量。
仿飞鱼电动飞机试飞成功。
完成制作的飞鱼飞机翼展1.5米,身长1.8米,后三点起落架布局,装有双叶高效率螺旋桨,由一台大功率电机和6S锂电池提供动力。启动、滑跑、加速……近日在试飞现场,这架凝结着同济师生心血的飞机一跃而起,在空中顺利巡航了两圈,随后平稳缓慢地降落。在短暂的试飞过程中,飞机完成了横侧和掉头,表现得十分灵活和稳定。