海阔凭鱼跃 沈海军的航空与纳米 ...分享 http://blog.sciencenet.cn/u/沈海军 同济大学 教授Email:SHJ@tongji.edu.cn /SHJ@nuaa.edu.cn 版权所有

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航空梦想,从这里起航 精选

已有 3378 次阅读 2021-7-8 15:58 |系统分类:科普集锦

沈海军

2012年以来,我带领着一帮同济大学航空航天与力学学院的学生们陆续制造了500余架各式各样的飞机,并利用自身的资源对社会开展各种公益航空科普活动。现如今,在同济大学微小飞行器实验室内,陈列着弹射伞降飞机、古代玛雅飞机、氢燃料电池飞机、3D打印微小飞机、世界最大飞人、世界最大电动遥控纸飞机、十二生肖卡通飞机、古希腊蒸汽动力飞机……数百架自制的飞机稀奇百怪,令人应接不暇。据不完全统计,这几年实验室已接待前来参观者两万余人,开展公益航模制作工坊80余场,公益航空科普讲座两百多次。

这些飞机和事情的背后蕴含着大家大量的汗水,隐藏着太多不为人知的故事。其中令人难忘的,当属2016年夏天完成的两件事:打造C919“大飞机”和放飞远古“飞行器”。

打造C919“大飞机”

2015年11月,家喻户晓的中国大型客机C919首架正式下线,并将要进行首飞。得知这一消息后,高汇谦同学的心中顿时生出了一个念想:我们可以制造一架缩比的验证机来试验一下C919的各种性能,也可以为即将首飞的C919送上一份祝福。高同学是同济大学2016届飞行器制造专业的高材生,一个地道的航模发烧友;后来成为本次C919缩比飞机设计制造课题的负责人。

有了这个想法的高汇谦找到了我,得到我的意见和肯定后马上召集人马,着手C919缩比飞机的设计。从那时起,高汇谦和他的两位组员就开始马不停蹄对C919进行CAD三维建模。飞机设计中,建模工作属重中之重,容不得丝毫差错,因为每个结构设计细节失误都可能给后期组装带来巨大隐患。在查阅了很多资料和文档后,他们首先确定了C919飞机缩比后的整体参数,然后CAD建模后将模型导入Catia软件中进行简单预装配;如此下来,飞机的外形布局和构造就确定了。

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        图1 缩比C919飞机三维CAD模型        2 制作中的C919“大飞机”

有了外形的基本参数后,同学们接着要做的就是合理设计机身骨架及其内部结构。飞机机身的隔框不能太密,否则会超重;太稀疏也不行,会影响飞机结构强度和刚度。这是一项复杂的工作,需要大量的计算和分析。高汇谦和一名组员分工协作,一人负责设计框架结构,一人负责强度校核,以确保飞机结构和强度的合理性。

在飞机设计的初试阶段,根据飞机的总零件数,高汇谦估算了飞机骨架的重量,大概为4公斤;加上外蒙皮、电池和各种电子设备,飞机预计重量8公斤左右;高汇谦基于该重量选择足够推力的动力;经优选后,他购置了单发推力3公斤的涵道发动机。

然而,当对购买的发动机进行测试后,同学们无奈地发现,单发推力实际上只有2.2公斤,远低于标定值3公斤。为了使飞机的重量能够匹配发动机的推力,必须对飞机进行减重,同时设法提高发动机的效率。

为此,高汇谦和他的组员们经过有限元分析后,在确保飞机强度和刚度的情况下将机身隔框和翼肋数减少了四分之一,飞机结构重量一下减少了15%。然后,他们再接再厉,进一步优化发动机设计,光顺进气口,收缩尾喷管,提高发动机工作效率。经过一番努力,飞机的动力终于达到了要求。

当飞机总体布局及翼型确定后,接下来高汇谦及其组员们要做的是计算、分析C919缩比模型的气动性能。这一过程包括:气动软件中建立飞机模型、软件界面上生成飞机整体外形、机翼/平尾/垂尾翼型数据输入、运算并获得飞机气动性能数据等等。经过漫长的计算机程序代码调试,飞机的各种升力、阻力、力矩等数据最终被得到。

飞机设计不是一个简单的过程,它不仅要满足升力、阻力要求,也要满足自身的载荷要求。气动载荷一旦超过飞机的承载极限,飞机结构便会遭到破坏。相反,飞机结构强度裕度过高也不行,这样飞机便会超重,增加动力装置负担,飞不起来。总之,每一个设计细节都直接关系到飞机后期试飞的成功与否。高汇谦和组员们经过一次又一次尝试,克服了一个又一个困难,最终得到了满足飞机可以正常飞行的气动外形和强度要求。

飞机理论设计完成后,接下来的是飞机制作过程。高汇谦带领两个组员,按照预先画好的零件图,通过激光切机将飞机机身、机翼、尾翼、起落装置和发动机外部整流罩等部件逐一加工出来;关键部位采用层板,非关键部位采桐木,外蒙皮采用1mm轻木板,以使飞机重量和结构强度达到最合理化。他们将飞机机身和机翼分别用碳杆连接起来,再将设计好的起落架和发动机挂架连接到机身和机翼上,同时连接舵机电路。飞机内部电路连接正确后便开始轻木蒙皮的贴合和打磨,在这期间需要不断地进行舵面修正和电路调整。最后,再在飞机表面贴合上热缩蒙皮,涂装和美化飞机外形,以提高飞机的气动性能。

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3 C919缩比验证机试飞现场

就这样,历经7个月,一架C919缩比模型终于顺利完工。整机长2.2米翼展2.3米,完美的流线型,白色为主沾染着一抹生机盎然的绿色,无不彰显着它的不凡。

2016年6月,高汇谦等几位同学带着这架承载着无数梦想的飞机装运到了常州某试飞场;当经验丰富的试飞手调试过飞机以后,随着油门推力推到最大,我们的C919试验机冲过跑道一飞冲天。再经过了上升、侧飞、盘旋、巡航等一系列动作后平稳落地。

放飞远古“飞行器”

航空航天与力学学院飞行器制造工程专业,听起来似乎和无数的公式、图表、计算脱不了关系。但在2016年暑假笔者开设的《微小飞机设计与制作》实践课上,“穿越时空,放飞远古飞行器”的课程设置却实现了科技与艺术的完美结合,为枯燥的工科学习注入新的乐趣,为古代人类文化注入了新的生命。

该课程起始于7月下旬,围绕人类远古飞行器探秘主题进行,分为上下两个部分。上半部分课程包括远古飞行器版画木雕、3D打印古玛雅“黄金飞机”以及焊丝版玛雅“黄金飞机”;下半部分课程则是设计、制作仿古玛雅电动遥控“黄金飞机”。这里,所谓的“黄金飞机”是指近年来考古学家在玛雅古墓内发现的形似飞机的黄金饰品。该课程共有12组50人参加;作为组长,关振熙同学带领着第一组的3位同学,出色地完成了上述各项任务。

在课程的上半部分中,第一组成员们分工合作,每个人发挥出了自己的特长。其中,3D打印玛雅“黄金飞机”由关振熙负责。他先根据图片确定出飞行器的“机身”“机翼”“平尾”“垂尾”等部位的特征尺寸,并利用自学的SolidWorks CAD软件完成玛雅1号“黄金飞机”的三维立体建模;接着,结合原始图片上远古“飞行器”的细节形态,对飞机模型进行了不断修改,从而使得模型与原始的“黄金飞机”更契合,最后,用3D打印机将玛雅“黄金飞机”实体打印出来。

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4 玛雅黄金飞机模型与3D打印实体

焊丝版玛雅“黄金飞机”由组员王奕桐同学负责。王同学平时比较喜欢焊接,偶尔也做一些锡焊的小金属工艺品。于是,他先用CAD软件对“黄金飞机”俯视图进行模拟和简化,然后裁剪铁丝围出整机外形,接着用若干短铁丝折出想要的花纹,焊接在外围上。铁丝表面较光滑,不易焊接牢固,所以关键部位,王同学利用AB胶进行了加固,最后均匀地给其涂满金水,使之金光闪闪。

远古飞行器木雕画由组员冯旭和王利峰同学合作完成。首先,他们将事先打印的某远古航空壁画通过复印纸印在木板上。接着用多种雕刻刀具,在木板上刻出相应的图案线条和纹路。最后用黑色马克笔,将线条和纹路涂黑。为保障图案的饱满、生动,他们对图像的外轮廓一律使用粗笔,内部线条使用细笔,均匀涂抹,以避免线条粗细不均。在刻痕较深的线条位置,由于马克笔尖探不进去,他们后改用毛笔。最后,经过数个日夜,一副“千古玛雅国王飞天”的巨幅木雕场景画生动地呈现在了大家的眼前。

课程下半部分是设计、制作仿古玛雅电动遥控“黄金飞机”。按照要求,每组同学都要做出一架翼展和机身长度均300-400mm的电动固定翼遥控飞机,不过每架飞机都必须以相应的一款古玛雅“黄金飞机”为原型。飞机统一采用2.4GHZ无线遥控、6通的微型接收机,遥控范围数为百米左右;动力统一采用7.4伏的可充电锂电池;发动机为重量9克的微型无刷电机。

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5 玛雅“黄金飞机”试飞前调试     6 同学们集体放飞玛雅“黄金飞机”

有了要求,第一组组长关振熙一自告奋勇,绘图图纸,很快设计出了飞机的具体外形。相对于原本的3D打印模型,为更好地提升气动性能和力学性能,他对黄金飞机的一些局部细节进行了调整;譬如,将翼面积加大,将机身与机翼装配设计为卡槽等。为使飞机机体更美观,小组成员们创新性地选择了“CAD设计外观并打印到黄金贴纸上”的方法:在飞机机翼上添加了诸多古玛雅的图案,中间绘制了古玛雅金字塔以及各种花纹;飞机体上印制了金文篆体的“关、桐、旭、峰”等汉字,代表四个组员的姓氏。在机身加装控制设备的时候,为保证重心的位置合适,他们还将舵机、电调、接收机、电池的位置进行了多次调整。

飞机做好后紧接着就是试飞。刚开始,关振熙小组的玛雅“黄金飞机”飞得并不成功,飞机航向总是不能很好控制,一旦偏航,就很难纠正回来,而且,还出现了电机座过热,热熔胶融化,电机脱落的现象。于是,他们慎重考虑后扩大了机翼面积,修改了电机座设计,改胶结为螺接。一切就绪,二次飞行,关振熙小组的古玛雅“黄金飞机”终于平稳地飞上了蓝天。

投身公益科普,播撒飞天的种子

近些年自己在航空科普教育上投入了大量精力,希望能把对航空航天事业的兴趣和飞天梦的种子埋进社区孩子们的心里。

我将团队多年来的研究编写成了一套教材,名为《沈教授教你做模型》,这本教材已经写到了第21期,里面没有太多的专业术语,都是生动的图片和说明,通俗易懂。这本教材是给社区孩子们准备的。因为自己经常要到社区给孩子做科普教学。

最初,同济大学周边的社区向学校申请参观我创建的微小飞行器实验室,后来有更多社区和学校参与进来。甚至在儿童节、国庆节期间,同济大学也组织一些孩子前来参观。如今,社区甚至会邀请我到社会活动室进行现场科普。于是,我就把我的微小飞行器实验室“搬”到了社区里,手把手教孩子们设计和制作。

2018年1月14日,天津电视台记者采访时,正好赶上我向金安居委会的孩子们讲解中国明代飞行器“神火飞鸦”的制作:剪下事先在薄木板上打印好的飞行器图案,进行拼接,完成后再上色。短短40分钟,孩子们就完成了多款款古代飞行器的复原手工模型。

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接待社区小朋友参观实验室     教孩子们制作飞机模型

   8岁的鹏鹏和奶奶是参加我航空科普活动的常客。几次活动下来,鹏鹏的动手能力强了不少,而且每次都是独立完成,不要奶奶帮忙。鹏鹏觉得,平时的课堂上很少见到有老师讲解的飞机,他觉得我这个大学老师的飞机一定能飞上天。

金安居委会文教干部陈玮琳深有感触,每次我来社区搞科普活动前,陈老师都要在朋友圈发布消息,短短一个小时,20多个名额就被家长们报满了,有的家长甚至还预约下一次科普活动。

   殊不知,一座难求的科普活动所用的工具和材料,都是东拼西凑来的。进社区科普是纯公益活动,没有经费的支持。所用的材料都是大学生在制作飞机模型时剩下的,工具都是向同济航模队借来的。几年来,我在社区开展了两百多场公益科普讲座,为2万多名中小学生和群众讲解了航空科普知识。



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