這，可能嗎? 本月初，答案揭曉!10月3日14時13分06秒，由這群本科生自行研發、生產、制造的“馮如三號”在空中連續飛行30小時6分42秒之后，創下25公斤至100公斤級油動無人機續航時間最長的世界紀錄。 “馮如三號”2號機試飛，科技創新訓練營成員在觀察無人機航跡。北京航空航天大學供圖 10月7日，來自國際航聯的證書出爐。他們終于讓中國首次進入該系列世界紀錄的名單。這是北航青年學子對中國110年航空史的致敬，更是對新中國成立70周年的獨特獻禮。 “00后”組隊苦學理論兩學期 在新中國航空史上，北航人向來敢啃“硬骨頭”。早在半個多世紀前，中國第一架輕型旅客機“北京一號”、第一架無人駕駛飛機“北京五號”，均是在北航師生大干百天之后，被送上藍天。 這一次的“馮如三號”，要挑戰25公斤至100公斤級油動無人機續航時間的世界紀錄，必須保證升阻比足夠高。因此要大幅減輕結構重量，且增加燃油比重，保證長時間飛行的可靠性，技術難度極大。此前，該項紀錄多為西方國家占據,已30多年無人打破。 為此，北航馮如書院成立了科創營，一場無領導小組面試之后，33名大一大二本科生成為首批營員，并開始瘋狂“補課”。 領隊王耀坤老師是北航飛行器設計專業的教師，他制定了周密科學的教學計劃，每周六花上三個小時，講授無人機的概念和組成、計算設計軟件、氣動設計、結構設計等理論知識。營員們還去機場學習無人機的自動駕駛，并到某研究所觀摩C919大飛機的靜力試驗。 兩個學期的二十堂課之后，以一份長航時無人機設計方案為目標，營員們被分成兩組答辯較量，展示學習成果。 在大家充電的同時，“馮如三號”的設計方案也在推進。今年3月，王耀坤等幾位老師和學生一道定下設計方案，之后不斷改進結構設計和選材。 一架無人機，上萬個零部件，想順利上天，科學的布局、嚴密的工藝和反復的驗證必不可少，擺在學生們面前的第二個任務就是親手制造零部件。 7月11日，8名學生作為“先遣隊”，來到鄭州開始學習無人機的加工與制作。 什么叫“理想很豐滿，現實很骨感”?大家可算領教了：工具認不全，練手時用力過猛誤傷自己，沒問師傅擅自下決定導致裝配錯誤……新手上路，問題比比皆是。 “第一周真的是太難了，什么都不知道!有時候師傅手把手地教都記不住!”雙學籍飛行學員范振宇“吐槽”，造飛機比開飛機都難! 他們在這里學習了飛行控制與導航系統、航空發動機以及電機的工作原理和使用方法、光固化3D打印機體零件，以及無人機裝配等新知識，摸索了各種實用工具的使用方法，并在各種打擊中迅速成長。 無人機的尾撐，用碳纖維制作而成，用螺栓固定時，鋒利的螺紋容易把碳纖維的側壁磨成碳粉，導致孔徑越來越大。范振宇剛開始使蠻力，“只要有一點毛病就拆拆卸卸，把螺栓擰過來擰過去，螺栓跟碳管反復摩擦，結果孔徑變大了，不符合要求。”在跟工廠師傅請教之后，他摸索出了竅門：尾撐上的水平尾翼裝好之后盡量不拆卸，即使拆卸也只擰螺母，把螺栓直接敲進去或者按照螺絲紋路輕輕擰進去，這樣才不會松脫。 負責制作鋼索的李淼也開始入門了，砸緊固件的錘子不能太小，否則受力不均，力道和次數也有講究，他邊比劃邊回憶動作，“一般舉三四十厘米高，砸三下就行了!” 兩三周后，“馮如三號”0號機出爐，這是試驗機，重達50公斤，主要用于驗證整體布局、氣動設計和操縱設計等。 8月4日，首次試飛之日。9時左右，飛機被推至跑道，一聲“啟動”令傳來，飛機爆發出震耳的嘶吼，滑跑幾秒后，順利上天! 20多分鐘之后，0號機凱旋，首飛成功。萬里長征邁出第一步! 三個月更新迭代造4架飛機 首飛的航時，距離既定目標30個小時還有很大差距，為此，之后的1號到3號機，需要大刀闊斧地“動手術”。 要想飛得足夠久，飛機必須減重瘦身。通過對比試驗，結合重量、強度、高度等因素及靜力試驗結果，他們更換了機身材料：0號機采用“全玻璃纖維+碳纖維”組合，以玻璃纖維為主;1號機也是這種組合，但改為以碳纖維為主;2號和3號機更新為以“高強度的T800級碳纖維+航天級硬質泡沫構成復合材料”組成夾層，以保證強度并有效提高剛度，可使受載后結構變形減小。 其他關鍵部位也有調整：精心匹配出三款發動機，最終挑選了又輕又省油的一款;油路設計也有巧思，采用多個油箱串并聯方案，盡可能降低油量變化對飛機重心的影響;起降系統試制了全碳纖維起落架，無需鋼索，既穩固又減小了氣動阻力;飛控系統則采用雙天線、激光測距、差分GPS等先進技術，能夠把飛行控制精度提高至厘米級，只需點擊按鈕，即可全自主起降。 王耀坤把學生分成幾個小組，分別負責左右機翼、機身、尾撐、發動機、飛控等不同部位，隊員們在細微的調整中去滿足造飛機的精準要求。 懸掛在機身和機翼之間的兩根2米多長的鋼索，用于承受拉力，防止機翼折斷。在做壞了幾十條鋼索、錘壞幾百個緊固件之后，李淼終于能說，自己打造的鋼索沒問題。尾撐上碳管厚度原本是3毫米，為了減重變為1.5毫米，變細之后的碳管在試驗中易變形。范振宇想到一個辦法，修補了一根1米長的碳管，打了20個孔，灌上502膠水，巧解難題。就連給機身貼膠帶也有技巧，膠帶的切口必須從機翼下方包裹，迎風面不能有氣泡，兩個月下來，周岳已成為貼膠帶小能手，“要先用手摁住膠帶，再拿棉布推過去，有點像手機貼膜。” 為了培養科研素養，王耀坤還要求，每一個實驗都要有實驗報告，每一個設計都要有設計報告，每個部件都有履歷表，“這樣做能精準掌握飛機情況，也便于后續隊員參考。” 距離國慶節越來越近，又一次試飛原定于9月30日，一個意外出現的小插曲使得起飛時間被迫延遲。 當天，飛機發動機轉速異常，怎么都不著火。仔細檢查發現，發動機附近測量轉速的信號線因為扎帶捆得太緊，線外面的金屬保護套被磨損了，導致短路，火花塞沒電，無法點火。線路組的成員排查異常之后，著手修補，當天的飛行計劃直接取消。 “幸虧是起飛前發現了，要是再晚一天發現或者線再晚一點磨損，我們的飛機就直接報廢了。”這種巧合，也讓王耀坤隱隱感覺到勝利的曙光，“我當時就想，躲過這道生死劫，接下來肯定能成功!” 此后，這樣的小驚險還在不斷上演： 倒數第三天，由于天氣變化，出現了耗油速度與之前試飛數據嚴重不符的情況，團隊只好采取最保守的耗油率; 倒數第二天，發動機氣缸溫度變化較大，為了追求更好的發動機工作狀態，大家緊急趕制了新艙蓋; 直到飛行前一天，重要的轉速傳感器損壞了，又臨時更換; …… 正式飛行前一天，正值祖國母親生日。這群青年聚在一起觀看了國慶閱兵儀式，天安門上空，飛機拉出的絢麗彩煙，更激發了大家的斗志。 空中翱翔30小時向祖國獻禮 10月2日清晨，黑沉的夜空下，王耀坤和學生們一起來到國家體育總局安陽航空運動學校的機場，迎接終極挑戰。為了確保萬無一失，他們打造出兩架一模一樣的“雙胞胎”無人機，即2號機和3號機，要讓它們同時升空，同道飛行(符合國際航聯的規則)。這樣即便一架飛機中途出意外，另一架還可以當“替補”繼續作戰。 從發動機、機翼、尾翼到線纜、飛控系統，例行檢查完畢之后，到了關鍵的起飛時間，8時6分24秒，“馮如三號”迎著晨曦起飛。 地面上早已搭建好的監控臺上，4名隊員嚴陣以待，密切監視顯示器上的飛行參數。飛機飛行途中需全程監控，為此，團隊排了8個班，每班6個人，每次值班4小時，須時刻保持頭腦清醒。不值班時，輪休人員就到機庫水泥地的地鋪上補覺。兩天內，所有人平均睡眠不足5小時。 周岳負責最后一班觀測飛控參數，10月3日中午一點多，發動機轉速和缸溫異常，飛機突然下降，她脫口而出，“掉高30米!”所有人聞聲從帳篷沖出來，以為飛機沒油了，準備隨時手動降落。好在十幾秒之后，飛機恢復正常，大家才意識到，剛才的異常可能是強下降氣流所致，飛機又爬升到300米高空，繼續征戰。 一個小時后，“準備降落”的口令傳來。全身黑色的無人機，猶如一只姿態優美的天鵝，張開十米長的翅膀，從空中翩然而落，尾翼上的五星紅旗，格外閃亮。 2019年10月3日14時13分06秒，一項嶄新的世界紀錄誕生了。這架名為“馮如三號”的無人機成為25公斤至100公斤級油動無人機最長續航時間的創造者。來自國際航聯的一位觀察員，現場確認了飛行時間以及飛行活動的有效。 在小心地收好飛機后，不知是誰起了個頭，“五星紅旗迎風飄揚，勝利歌聲多么響亮，歌唱我們親愛的祖國……”嘹亮的歌聲讓在場的所有人沸騰了。 王耀坤介紹，“馮如三號”的意義不只是破紀錄，在測繪和通信領域前景也很廣闊。比如，無人機上搭載測繪儀器之后，一次飛行30個小時以上，航程將達到兩千多公里，可高效獲取地面情況。 親手造飛機，還讓一些學生找尋到未來的方向。團隊中6名大一學生在專業分流時選擇了航空方向，他們夢想著有一天自己造的大飛機也能翱翔藍天。 北航馮如書院輔導員郭偉豐透露，首批科創營只能有40%的人留隊，新補充的營員將和師兄師姐們一道瞄準新的目標，“我們期待，未來他們能造出‘馮如四號’‘馮如五號’，綿延不斷地創造新的奇跡。” 相關鏈接 “馮如三號” “馮如三號”無人機由北航馮如書院和北京學院的33名本科生自主研發、設計、制造、裝配。它采用了超大型展弦比，機翼展約為10米，尾撐到機頭長4米左右，機身黑色，尾翼印有鮮艷的五星紅旗。
整機由高強度復合材料制作而成，滿載后總重量為75.44千克;整個機身內部除機頭放置了飛控設備以外，其余部分均為油箱，飛行時間可超過30個小時。 何以能破世界紀錄 “馮如三號”之所以能夠實現超長時間飛行并打破世界紀錄，是因為其選材、結構設計、飛控技術等均有精妙之處。 第一，設計超大展弦比。“馮如三號”的展弦比與展弦比為25的“全球鷹”長航時無人機接近，使得飛機以低速就能維持平飛狀態，減少油耗，且機翼翼型采用特殊設計，由北航飛行器創新研究團隊研制。 第二，材料和加工考究。全機采用先進的航天級復合材料，減輕自重，避免顫振，并將機身結構和線路的風險降到最低，且便于攜帶更多燃料。 第三，巧置油箱與油路。采用多個油箱串并聯設計，避免油箱中產生氣泡，并且保證無人機重心的位置改變不至于過大，確保了無人機的平穩飛行。 第四，打造強大的飛行控制系統。無人機采用自適應飛行控制系統，能根據飛行速度和高度調整發動機進油量，節約燃油。實驗數據顯示，無人機每小時耗油低于1升，遠低于市面現有同排量無人機。 來源：北京日報 記者：任敏 |
