在陽光下展翅翱翔

“飛行時間已滿15分鐘，模型飛機可以降落”，聽到裁判的口令，全場迸發(fā)出陣陣歡呼，“冠軍誕生了”！這一幕，發(fā)生在2014年9月30日的“科研類”全國航空航天模型錦標賽上。當時，全場只有西安交大航模隊的太陽能模型飛機成功連續(xù)飛行了15分鐘，不僅達到了比賽的最大留空時間要求，而且自重3千克的模型還載有2千克的重物。待模型平穩(wěn)降落后，西安交大航模隊的隊員們激動不已。參加太陽能模型飛機載重飛行項目4年，全隊終于獲得了冠軍，成為西安交大航模隊史的一個里程碑?；仡?年來的摸索和拼搏，所有的隊員與比賽一同成長，并靠技術革新最終實現(xiàn)了絕地反擊。

2011年，項目初設

2011年，“科研類”全國航空航天模型錦標賽首次設立了太陽能模型飛機載重飛行項目，要求參賽者自主設計并制作一架自重不超過3千克的太陽能模型飛機，而且僅靠光伏動力完成載重飛行。

因為這是錦標賽中第一次出現(xiàn)太陽能動力類項目，所以沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可參考。隊員們對太陽能模型飛機的尺寸、氣動布局完全沒有概念，對太陽能電池板的鋪設有沒有任何經(jīng)驗。一切都是未知，都需要探索。

拿到比賽規(guī)則后，航模隊就競賽機的設計方案各抒己見。在討論中，有個隊員曾提出一個十分新奇的方案：考慮到比賽在10月的山東萊蕪（大約北緯36°），比賽時太陽的照射角度較小，可在模型飛機上安裝一個類似預警機天線罩的圓盤并放置太陽能硅片，讓其對準陽光以獲得更多的陽光照射。最后，經(jīng)過大家討論，太陽能模型飛機的方案確定為常規(guī)布局設計，電池板鋪設在機翼上。

接下來，航模隊設計制作了首架樣機。至今想起這架模型飛機，很多老隊員還是忍俊不禁。那是西安交大航模隊做過的翼展最大的模型飛機，翼展長達7.4米，采用與翼尖一體的全動副翼。之所以這樣設計，是因為太陽能模型飛機的動力有限，采用大展弦比機翼能提高其工作效率。而讓人意想不到的是，這架被一致看好的模型飛機，首次試飛就炸機了，僅僅留空2秒。隊員們的心情十分沉重，事后一遍遍、一幀幀地仔細研究飛行錄像后，發(fā)現(xiàn)了一個關鍵問題——由于過分追求更大的翼展和更輕的重量，忽略了結(jié)構(gòu)強度和機翼剛度，因此模型在升空后機翼嚴重扭曲變形，無法操控。

吸取了第1架樣機的經(jīng)驗，大家又齊心協(xié)力制作了第2架。相比前一架，這架模型飛機由全動副翼改成了常規(guī)舵面，翼展也減至5米，并在機翼中增加了斜撐翼肋以提高整體剛度。試飛成功后，看著模型飛機安全降落，隊員們懸著的心終于落地。緊接著，航模隊又信心滿滿地先后設計制作了第3架、第4架樣機。經(jīng)過反復試驗，最終的參賽機定型：全機自重3千克、翼展4.14米、機翼面積1.95平方米，共鋪設48片太陽能電池板，且全部直接鋪設在機翼表面。

機體定型后，還需進行光伏動力系統(tǒng)和電子設備的設計?？紤]到太陽能電池板的性能特點，隊員們自行設計并制作了太陽能電池最大功率跟蹤系統(tǒng)和高效的盤式無刷電機。因為光伏電池不同于化學電池，其輸出功率具有明顯的非線性特征，所以為讓動力系統(tǒng)輸出最大功率，提高太陽能電池板的利用效率，隊員們想出了增加一個太陽能電池最大功率跟蹤系統(tǒng)的辦法：當油門量小于50%時，由操縱手控制油門；當油門量大于50%時，由系統(tǒng)自動控制，并保證發(fā)揮出最大功率。之所以自制無刷電機，是因為隊員們發(fā)現(xiàn)當時市場上的電機不適用于太陽能模型飛機，于是根據(jù)其動力特點做了一款高電壓、大扭矩的盤式無刷電機。經(jīng)理論計算，最終定型為一款18槽定子、24級轉(zhuǎn)子的無刷電機。在試驗中，它漏磁較少、效率較高，能滿足太陽能模型飛機的飛行需求。

2011年10月，隊員們信心十足地進入賽場。而老天爺似乎和大家開了一個玩笑，比賽當天光照度嚴重不足，只有16 000勒克斯（正常飛行光照應大于30 000勒克斯），而且比賽接近尾聲時還下起了小雨。盡管條件惡劣，比賽還是照常進行。只是在這樣的天氣情況下，比賽已然成為各個參賽隊模型飛機滑翔性能的比拼。輪到西安交大航模隊上場，雖然依靠隊員們的奮力牽引，模型飛機順利起飛，但是精心設計的最大功率跟蹤系統(tǒng)和高電壓、大扭力的盤式電機完全沒有用武之地。隊員們?yōu)檫@架凝聚了全隊心血的“大鳥”感到惋惜。

第一次賽場嘗試的結(jié)果是季軍，成績一般，好在參與的隊員不僅積累了很多設計和制作的經(jīng)驗，還認識到了總體設計中存在的不足。

2012年，新的挑戰(zhàn)

2012年“科研類”全國航空航天模型錦標賽在湖北荊門舉行。這一次，規(guī)則要求太陽能模型飛機必須滑跑起飛，而非之前的牽引起飛?；芷痫w對飛行器的動力提出了很大挑戰(zhàn)，因為在起飛階段耗能最大。有了上次的經(jīng)驗，航模隊提前考察了荊門地區(qū)的天氣情況，發(fā)現(xiàn)當?shù)乜諝鉂穸却?、云量多、光照度偏低，因此天氣必須作為設計的一個重要因素。

2012年5月，大家集思廣益，一起討論太陽能模型飛機的氣動外形。首先被提及的是雙尾撐布局，該布局能在一定程度上減小機翼彎矩，有效提高整機的強度和剛度。但經(jīng)過進一步討論，該方案被放棄。原因是相比常規(guī)布局的模型飛機，雙尾撐不但偏重，而且機翼、雙尾撐和平尾形成的矩形易變形，導致操縱性變差。最終，常規(guī)氣動布局方案高票入選。

為了比較機翼對工作效率的影響，隊員們設計制作了兩架不同翼展的模型飛機。其中一架展弦比較大，翼展達到了5 040毫米，沿翼弦方向可鋪設兩排太陽能電池板，整副機翼能鋪設60塊；另一架展弦比稍小、翼展為4 374毫米，沿翼弦方向可鋪設3排太陽能電池板，整副機翼能鋪設78塊。經(jīng)過試飛，后者確定為最終的機翼設計方案。

考慮到直接鋪設在機翼上表面雖然能讓電池板更好地接收光照，卻破壞了機翼翼型，降低了氣動效率，而且電池板表面易沾染灰塵并氧化，因此把太陽能電池板改為鋪設在機翼內(nèi)部，并蒙上透明度高的蒙皮。根據(jù)以往經(jīng)驗，太陽能模型飛機的機翼在飛行時會發(fā)生扭曲形變。如果把太陽能電池板與機翼硬性連接，那么電池板極易發(fā)生脆性斷裂。為此，在設計機翼結(jié)構(gòu)時，有意讓翼梁和兩片翼肋形成的方格空間略大于太陽能電池板。在鋪設時，電池板實際被安放在穿過翼肋并被拉緊的兩根凱夫拉線上，并用少量膠水將板與線粘接牢固。

在動力方面，隊員們對2011年太陽能模型飛機上使用的最大功率跟蹤系統(tǒng)進行了改進。為選配螺旋槳和電機，先進行一系列測試（在恒定功率60瓦的情況下，分別測試靜態(tài)和空速8米/秒時動力系統(tǒng)的拉力），最終選擇了大直徑盤式電機和16×6.5螺旋槳。

因為太陽能模型飛機必須滑跑起飛，所以在滑跑階段應具有較強的加速能力，以使機體盡快達到起飛速度。然而光伏動力系統(tǒng)的輸出功率有限，一旦光照不足，很可能就無法成功滑跑起飛。針對這個問題，隊員們準備了兩套方案。一是傳統(tǒng)的小車助力滑跑，即將模型飛機安裝在小車上，在滑跑時由螺旋槳提供動力，當模型滑跑到起飛速度時與小車分離。這套方案可省去起落架的重量，但在低光照度的情況下，模型飛機滑跑加速的能力較弱。另一套方案是動力輪式起落架，即在起落架上安裝動力系統(tǒng)，滑跑階段太陽能電池板的動力輸出到輪式起落架上，驅(qū)動模型飛機加速；達到起飛速度后，動力輸出切換到機頭的螺旋槳上，為飛行提供動力。采用這種方式的優(yōu)點是模型滑跑效率提高，動力輪式起落架的效率能達到90%左右，（螺旋槳提供滑跑動力的效率僅有10%-20%）。最終動力輪式起落架方案中選，起落架上裝有一個低KV值的盤式電機，電機外包裹一圈海綿用作緩沖。

賽前，航模隊在空曠的場地對太陽能模型飛機進行了飛行測試。當時的平均太陽光照度約45 000勒克斯，模型飛機載重400克，可輕松滑跑起飛并安全降落。然而到了比賽當天，光照度卻只有15 000勒克斯，加上賽場跑道非常粗糙，導致動力輪式起落架顛簸得厲害，不能完全發(fā)揮作用。在滑跑速度較低的情況下，模型飛機需要更大的迎角才能順利起飛，但參賽機的起落架高度不夠，迎角一加大，模型飛機的機尾便會與地面發(fā)生摩擦。萬分情急之下，隊長臨時決定加高起落架，調(diào)整機翼安裝角，還削去了機尾損壞部分。在第3次復飛時，模型飛機終于成功離地升空。

2012年，西安交大航模隊沒有在這個項目上拿到名次。不過面對滑跑起飛的新挑戰(zhàn)，隊員們創(chuàng)新地設計運用了動力輪式起落架，完成了一次新的自我超越。

2013年，全新設計

2013年，比賽規(guī)則較2012年沒有明顯變化。比賽地點在浙江溫州，光照強烈，但因臨海的原因，海風比較大。在2012年的比賽中，雖然沒有拿到名次，但看到了其他高校航模隊參賽機優(yōu)秀的氣動設計和動力系統(tǒng)，于是航模隊決定重新設計一架太陽能模型飛機。

2013年5月，備賽開始。與以往主要靠經(jīng)驗和簡單的氣動估算確定模型飛機參數(shù)的方式不同，這一年隊員已經(jīng)具備了氣動估算和數(shù)值仿真校驗能力。對太陽能模型飛機這種動力不足的飛行器來說，設計時合理的估算和建模極其重要。在選擇方案設計時，隊員們先以機翼尺寸為變量，對機翼賦予面積密度，然后通過氣動估算得到升力，再用得出的升力和機翼重量估算出阻力，并與動力進行比較，選出最大載重比的方案。通過多次優(yōu)化計算，得到機翼的最佳設計參數(shù)。接下來對模型飛機進行建模和數(shù)值模擬，一一校驗機翼設計方案，完成機體氣動外形的優(yōu)化。再次進行迭代運算，最后完成模型飛機氣動外形的設計。最終得出的太陽能模型飛機的翼展為4 654毫米，機長2 700毫米，可鋪設66塊太陽能電池板。這是航模隊第一次通過數(shù)值仿真對模型的設計方案進行校驗，不僅提高了工作效率，而且鍛煉了隊員的個人能力。

飛行器動力系統(tǒng)的設計和選配同樣非常重要。隊員們設計了一套自動化程度很高的螺旋槳測試系統(tǒng)，并編寫了測試用軟件。通過這套系統(tǒng)，設計者只需簡單操作，就能對不同的螺旋槳、電機、減速器組合進行測試，計算出螺旋槳拉力、扭矩轉(zhuǎn)速以及電機的電壓和電流，得出效率最優(yōu)的螺旋槳參數(shù)、減速比和電池板鋪設方案。在設計過程中，隊員們將理論與實際相結(jié)合，完成了動力系統(tǒng)的優(yōu)化。不同于之前盤式電機直接驅(qū)動螺旋槳的方案，這次采用了普通電機加減速器的方法。與此同時，繼續(xù)對最大功率跟蹤系統(tǒng)進行改進，并應用在模型飛機上。

考慮到天氣情況對模型起飛時性能的影響，航模隊設計了兩套起飛系統(tǒng)：一套是動力輪式起落架，另一套是利用小車起飛。在陽光照度充足的情況下，優(yōu)先使用小車，以省去起落架的重量，增加模型飛機的載重比。如果陽光照度不充足，就使用動力輪式起落架，以讓模型在滑跑起飛過程中獲得良好的加速性能。

2013年8月，第1架試驗機制作完成。試飛時陽光照度約為40 000勒克斯，模型飛機順利滑跑起飛。正當大家?guī)е矏偪粗@只“大鳥”在天空中翱翔時，模型飛機的機身突然斷裂，整機立刻墜落。等找到試驗機時，其機身已完全折斷，所幸機翼損傷不大。隊員們開始分析事故原因，認為主要是機身的設計強度不足所致，制作中的小瑕疵又加重了這一問題。隨后對機身做了改進，增加了機翼強度，制作時也更加認真了。

2013年10月，到了檢驗全新設計的太陽能模型飛機性能的時候了。抵達賽場，才發(fā)現(xiàn)場地的海風比想象中更大。而太陽能模型飛機的翼載荷很小，很容易受到風的影響。而且比賽場地設在海邊的一個堤壩上，用于滑跑起飛的跑道很窄，條件十分不利。果然，模型飛機剛一滑跑起飛，就在離地不到1米時被風吹到了跑道邊的欄桿上。由于機體損壞嚴重，因此又得無奈退出了比賽。

賽后隊員們都感覺遺憾。全新設計的太陽能模型飛機，還沒有經(jīng)過賽場真正的檢驗，就早早退出了比賽?？偨Y(jié)這次比賽失利的原因，主要是過大的垂直面面積導致模型飛機抗側(cè)風性能很差。全隊暗下決心，改進設計，一定要讓西安交大的太陽能模型飛機翱翔在來年賽場的藍天上。

2014年，夢圓膠州

2014年，“科研類”全國航空航天模型錦標賽轉(zhuǎn)戰(zhàn)山東膠州，又是一個臨海城市。這一年，西安交大航模隊的參賽機基本延續(xù)了2013年的總體設計，只是稍微增大了副翼面積以獲得更好的操控性，并取消了包圍起落架的腹鰭以減小垂直面面積。設計工作很快完成，隊員們又開始了緊張的制作和試飛。

2014年8月，第1架試驗機完成。在試飛中，這架太陽能模型飛機載重滑跑起飛，并在足足飛行了15分鐘后成功降落。這次試飛讓隊員們對模型的總體設計有了信心，之后的工作集中在機身和機翼的強度和可靠性的提高上。

2014年9月底，航模隊來到膠州準備比賽。初到膠州的幾天，天氣陰沉，之后下起了小雨，這讓大家對太陽能模型飛機項目有了些許擔心。第一天比賽時，天氣多云，天空中的云朵一直在動，陽光時有時無，光照度在60 000勒克斯和20 000勒克斯之間搖擺不定。所有參賽隊都仰望天空，仔細觀察云的位置，希望自己的參賽機能在陽光充足的時候起飛。但是老天爺又和西安交大航模隊開了一個玩笑，模型飛機剛剛上跑道，一片云就遮住了太陽，光照度立刻跌至20 000勒克斯左右。因為比賽時間僅有5分鐘，短時間內(nèi)太陽沒有出現(xiàn)，隊員們只能硬著頭皮讓模型起飛，最終起飛失敗、模型輕度損傷。第一天比賽結(jié)束后，隊員們修好了模型飛機，期盼著第二天能有個好天氣。

第二天，大家早早就起床查看天氣情況。讓人欣喜的是，當天艷陽高照，比賽時的光照度超過了80 000勒克斯，只是風也大了起來。隊長果斷地選擇了2千克的載重。輪到西安交大航模隊上場了，只見模型飛機在跑道上慢慢加速、拉起、平穩(wěn)起飛。負責起飛工作的隊員們激動地喊了聲“好”，但操縱手卻一點也不敢松懈。這時的場地風速較大，且受地形影響有些區(qū)域存在下降氣流，對模型在空中平穩(wěn)飛行造成威脅。由于模型飛機的起飛速度不大，因此在側(cè)風影響下先下降了一段高度，然后緩慢爬升，終于抵達一個相對安全的高度。操縱手的嘴角泛起了一絲自信的微笑。此時，全場運動員都在關注空中翱翔的模型飛機，其出現(xiàn)一點顛簸就會引來觀眾一陣驚呼?！拔濉⑺?、三、二、一，飛行時間已滿15分鐘，模型可以降落”，隨著裁判員一聲令下，所有隊員都激動地跳了起來。4年的磨煉，一批批航模隊員的付出，都是為了這一刻。西安交大航模隊終于拿到了太陽能模型飛機飛行賽的冠軍！

4年，是一個人的大學本科時光，也是西安交大航模隊太陽能模型飛機的沖天歷程。從最初的沒有任何設計經(jīng)驗，到最終獲得全國冠軍，太陽能模型飛機項目，既見證了西安交大航模隊的成長，也給每個隊員的大學生涯中留下了一段珍貴、美好的回憶。