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《永利日报》整版报道我校本科生改写无人机续航时间世界纪录:一飞冲天

点击数:    |    加入时间:2019-10-24

《永利日报》2019年10月24日整版报道我校本科生改写无人机续航时间世界纪录:

一群平均年龄不到20岁的本科生,何以改写无人机续航时间世界纪录?

一飞冲天

本报记者 任敏

皮肤黝黑的李淼连航模都没摸过,笑起来眉眼弯弯的周岳在为选专业迷茫,戴着眼镜的付宁尚不知拧螺丝也有窍门……去年秋天,33名平均年龄不到20岁的大一大二本科生,加入了永利402com-官方网站线路检测冯如书院首期科创营,在指导老师王耀坤的带领下,狂补无人机理论知识,苦练机械制造手艺。他们有一个雄心勃勃的计划,要在今年国庆节前赶制一架无人机,并冲击世界纪录。

这,可能吗?

本月初,答案揭晓!10月3日14时13分06秒,由这群本科生自行研发、生产、制造的“冯如三号”在空中连续飞行30小时6分42秒之后,创下25公斤至100公斤级油动无人机续航时间最长的世界纪录。

“冯如三号”2号机试飞,科技创新训练营成员在观察无人机航迹。

10月7日,来自国际航联的证书出炉。他们终于让中国首次进入该系列世界纪录的名单。这是永利青年学子对中国110年航空史的致敬,更是对新中国成立70周年的独特献礼。

“00后”组队苦学理论两学期

在新中国航空史上,永利人向来敢啃“硬骨头”。早在半个多世纪前,中国第一架轻型旅客机“永利一号”、第一架无人驾驶飞机“永利五号”,均是在永利师生大干百天之后,被送上蓝天。

这一次的“冯如三号”,要挑战25公斤至100公斤级油动无人机续航时间的世界纪录,必须保证升阻比足够高。因此要大幅减轻结构重量,且增加燃油比重,保证长时间飞行的可靠性,技术难度极大。此前,该项纪录多为西方国家占据,已30多年无人打破。

为此,永利冯如书院成立了科创营,一场无领导小组面试之后,33名大一大二本科生成为首批营员,并开始疯狂“补课”。

领队王耀坤老师是永利飞行器设计专业的教师,他制定了周密科学的教学计划,每周六花上三个小时,讲授无人机的概念和组成、计算设计软件、气动设计、结构设计等理论知识。营员们还去机场学习无人机的自动驾驶,并到某研究所观摩C919大飞机的静力试验。

两个学期的二十堂课之后,以一份长航时无人机设计方案为目标,营员们被分成两组答辩较量,展示学习成果。

在大家充电的同时,“冯如三号”的设计方案也在推进。今年3月,王耀坤等几位老师和学生一道定下设计方案,之后不断改进结构设计和选材。

一架无人机,上万个零部件,想顺利上天,科学的布局、严密的工艺和反复的验证必不可少,摆在学生们面前的第二个任务就是亲手制造零部件。

7月11日,8名学生作为“先遣队”,来到郑州开始学习无人机的加工与制作。

什么叫“理想很丰满,现实很骨感”?大家可算领教了:工具认不全,练手时用力过猛误伤自己,没问师傅擅自下决定导致装配错误……新手上路,问题比比皆是。

“第一周真的是太难了,什么都不知道!有时候师傅手把手地教都记不住!”双学籍飞行学员范振宇“吐槽”,造飞机比开飞机都难!

他们在这里学习了飞行控制与导航系统、航空发动机以及电机的工作原理和使用方法、光固化3D打印机体零件,以及无人机装配等新知识,摸索了各种实用工具的使用方法,并在各种打击中迅速成长。

无人机的尾撑,用碳纤维制作而成,用螺栓固定时,锋利的螺纹容易把碳纤维的侧壁磨成碳粉,导致孔径越来越大。范振宇刚开始使蛮力,“只要有一点毛病就拆拆卸卸,把螺栓拧过来拧过去,螺栓跟碳管反复摩擦,结果孔径变大了,不符合要求。”在跟工厂师傅请教之后,他摸索出了窍门:尾撑上的水平尾翼装好之后尽量不拆卸,即使拆卸也只拧螺母,把螺栓直接敲进去或者按照螺丝纹路轻轻拧进去,这样才不会松脱。

科技创新训练营成员在为“冯如三号”1号机进行飞行前检查。

负责制作钢索的李淼也开始入门了,砸紧固件的锤子不能太小,否则受力不均,力道和次数也有讲究,他边比划边回忆动作,“一般举三四十厘米高,砸三下就行了!”

两三周后,“冯如三号”0号机出炉,这是试验机,重达50公斤,主要用于验证整体布局、气动设计和操纵设计等。

8月4日,首次试飞之日。9时左右,飞机被推至跑道,一声“启动”令传来,飞机爆发出震耳的嘶吼,滑跑几秒后,顺利上天!

20多分钟之后,0号机凯旋,首飞成功。万里长征迈出第一步!

三个月更新迭代造4架飞机

首飞的航时,距离既定目标30个小时还有很大差距,为此,之后的1号到3号机,需要大刀阔斧地“动手术”。

要想飞得足够久,飞机必须减重瘦身。通过对比试验,结合重量、强度、高度等因素及静力试验结果,他们更换了机身材料:0号机采用“全玻璃纤维+碳纤维”组合,以玻璃纤维为主;1号机也是这种组合,但改为以碳纤维为主;2号和3号机更新为以“高强度的T800级碳纤维+航天级硬质泡沫构成复合材料”组成夹层,以保证强度并有效提高刚度,可使受载后结构变形减小。

其他关键部位也有调整:精心匹配出三款发动机,最终挑选了又轻又省油的一款;油路设计也有巧思,采用多个油箱串并联方案,尽可能降低油量变化对飞机重心的影响;起降系统试制了全碳纤维起落架,无需钢索,既稳固又减小了气动阻力;飞控系统则采用双天线、激光测距、差分GPS等先进技术,能够把飞行控制精度提高至厘米级,只需点击按钮,即可全自主起降。

王耀坤把学生分成几个小组,分别负责左右机翼、机身、尾撑、发动机、飞控等不同部位,队员们在细微的调整中去满足造飞机的精准要求。

悬挂在机身和机翼之间的两根2米多长的钢索,用于承受拉力,防止机翼折断。在做坏了几十条钢索、锤坏几百个紧固件之后,李淼终于能说,自己打造的钢索没问题。尾撑上碳管厚度原本是3毫米,为了减重变为1.5毫米,变细之后的碳管在试验中易变形。范振宇想到一个办法,修补了一根1米长的碳管,打了20个孔,灌上502胶水,巧解难题。就连给机身贴胶带也有技巧,胶带的切口必须从机翼下方包裹,迎风面不能有气泡,两个月下来,周岳已成为贴胶带小能手,“要先用手摁住胶带,再拿棉布推过去,有点像手机贴膜。”

为了培养科研素养,王耀坤还要求,每一个实验都要有实验报告,每一个设计都要有设计报告,每个部件都有履历表,“这样做能精准掌握飞机情况,也便于后续队员参考。”

距离国庆节越来越近,又一次试飞原定于9月30日,一个意外出现的小插曲使得起飞时间被迫延迟。

当天,飞机发动机转速异常,怎么都不着火。仔细检查发现,发动机附近测量转速的信号线因为扎带捆得太紧,线外面的金属保护套被磨损了,导致短路,火花塞没电,无法点火。线路组的成员排查异常之后,着手修补,当天的飞行计划直接取消。

“幸亏是起飞前发现了,要是再晚一天发现或者线再晚一点磨损,我们的飞机就直接报废了。”这种巧合,也让王耀坤隐隐感觉到胜利的曙光,“我当时就想,躲过这道生死劫,接下来肯定能成功!”

此后,这样的小惊险还在不断上演:

倒数第三天,由于天气变化,出现了耗油速度与之前试飞数据严重不符的情况,团队只好采取最保守的耗油率;

倒数第二天,发动机气缸温度变化较大,为了追求更好的发动机工作状态,大家紧急赶制了新舱盖;

直到飞行前一天,重要的转速传感器损坏了,又临时更换;

……

正式飞行前一天,正值祖国母亲生日。这群青年聚在一起观看了国庆阅兵仪式,天安门上空,飞机拉出的绚丽彩烟,更激发了大家的斗志。

空中翱翔30小时向祖国献礼

10月2日清晨,黑沉的夜空下,王耀坤和学生们一起来到国家体育总局安阳航空运动学校的机场,迎接终极挑战。为了确保万无一失,他们打造出两架一模一样的“双胞胎”无人机,即2号机和3号机,要让它们同时升空,同道飞行(符合国际航联的规则)。这样即便一架飞机中途出意外,另一架还可以当“替补”继续作战。

从发动机、机翼、尾翼到线缆、飞控系统,例行检查完毕之后,到了关键的起飞时间,8时6分24秒,“冯如三号”迎着晨曦起飞。

地面上早已搭建好的监控台上,4名队员严阵以待,密切监视显示器上的飞行参数。飞机飞行途中需全程监控,为此,团队排了8个班,每班6个人,每次值班4小时,须时刻保持头脑清醒。不值班时,轮休人员就到机库水泥地的地铺上补觉。两天内,所有人平均睡眠不足5小时。

周岳负责最后一班观测飞控参数,10月3日中午一点多,发动机转速和缸温异常,飞机突然下降,她脱口而出,“掉高30米!”所有人闻声从帐篷冲出来,以为飞机没油了,准备随时手动降落。好在十几秒之后,飞机恢复正常,大家才意识到,刚才的异常可能是强下降气流所致,飞机又爬升到300米高空,继续征战。

一个小时后,“准备降落”的口令传来。全身黑色的无人机,犹如一只姿态优美的天鹅,张开十米长的翅膀,从空中翩然而落,尾翼上的五星红旗,格外闪亮。

2019年10月3日14时13分06秒,一项崭新的世界纪录诞生了。这架名为“冯如三号”的无人机成为25公斤至100公斤级油动无人机最长续航时间的创造者。来自国际航联的一位观察员,现场确认了飞行时间以及飞行活动的有效。

“冯如三号”研发团队。本版供图:永利402com-官方网站线路检测

在小心地收好飞机后,不知是谁起了个头,“五星红旗迎风飘扬,胜利歌声多么响亮,歌唱我们亲爱的祖国……”嘹亮的歌声让在场的所有人沸腾了。

王耀坤介绍,“冯如三号”的意义不只是破纪录,在测绘和通信领域前景也很广阔。比如,无人机上搭载测绘仪器之后,一次飞行30个小时以上,航程将达到两千多公里,可高效获取地面情况。

亲手造飞机,还让一些学生找寻到未来的方向。团队中6名大一学生在专业分流时选择了航空方向,他们梦想着有一天自己造的大飞机也能翱翔蓝天。

永利冯如书院辅导员郭伟丰透露,首批科创营只能有40%的人留队,新补充的营员将和师兄师姐们一道瞄准新的目标,“我们期待,未来他们能造出‘冯如四号’‘冯如五号’,绵延不断地创造新的奇迹。”

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“冯如三号”

“冯如三号”无人机由永利冯如书院和永利学院的33名本科生自主研发、设计、制造、装配。它采用了超大型展弦比,机翼展约为10米,尾撑到机头长4米左右,机身黑色,尾翼印有鲜艳的五星红旗。 整机由高强度复合材料制作而成,满载后总重量为75.44千克;整个机身内部除机头放置了飞控设备以外,其余部分均为油箱,飞行时间可超过30个小时。

何以能破世界纪录

“冯如三号”之所以能够实现超长时间飞行并打破世界纪录,是因为其选材、结构设计、飞控技术等均有精妙之处。

第一,设计超大展弦比。“冯如三号”的展弦比与展弦比为25的“全球鹰”长航时无人机接近,使得飞机以低速就能维持平飞状态,减少油耗,且机翼翼型采用特殊设计,由永利飞行器创新研究团队研制。

第二,材料和加工考究。全机采用先进的航天级复合材料,减轻自重,避免颤振,并将机身结构和线路的风险降到最低,且便于携带更多燃料。

第三,巧置油箱与油路。采用多个油箱串并联设计,避免油箱中产生气泡,并且保证无人机重心的位置改变不至于过大,确保了无人机的平稳飞行。

第四,打造强大的飞行控制系统。无人机采用自适应飞行控制系统,能根据飞行速度和高度调整发动机进油量,节约燃油。实验数据显示,无人机每小时耗油低于1升,远低于市面现有同排量无人机。

编辑:贾爱平

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