同济大学师生模仿飞鱼，研制出新型无人机，抗失速能力优越

最近，同济大学航空与力学学院学生团队设计、制作的“仿飞鱼电动飞机”获得全国高校航空航天类专业本科毕业设计成果一等奖。这款无人机模仿飞鱼的生理结构，气动性能优良，在佘山附近的玄风航空飞行基地成功试飞。指导老师沈海军教授表示：“这项工作展示了仿生飞行学的神奇魅力，对于新型飞行器的设计也有一定价值。”

团队学生与试飞员合影。

据介绍，很多会飞的生物拥有许多优良的特性，如高效的气动外形、精巧的内部结构、独特的环境感知系统，这些特性对于人类设计飞行器有相当大的参考价值。同济大学本科生汪成、严晴晴、曹日兴、邹施睿、余翼等人在沈海军教授的指导下，选择飞鱼作为飞行器设计的仿生对象。据介绍，飞鱼拥有很长的胸鳍，一直延伸到尾部，像鸟的翅膀一样。它能跃出水面十几米，并在空中停留40多秒，在海面上滑翔的最远距离可达400多米。

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。

栏目主编：黄海华 文字编辑：俞陶然

来源：作者：俞陶然