2400年后再飛翔 同濟師生復(fù)原發(fā)射古希臘蒸汽飛行器

據(jù)史料記載，公元前400年左右，古希臘有位數(shù)學(xué)家和哲學(xué)家，名叫阿契塔斯（Archytas，400BC-350BC），被譽為“世界機械工業(yè)之父”。他曾仿照飛鳥，設(shè)計并制造出了一架以壓縮蒸汽為動力，能夠飛行百米之遙的飛行器。

根據(jù)這架蒸汽飛行器的原理，同濟大學(xué)航空與力學(xué)學(xué)院沈海軍團隊對其進行了復(fù)原。2017年7月27日下午，一架2 400年前的古希臘蒸汽飛行器的復(fù)制品在同濟大學(xué)彰武路校區(qū)成功完成了發(fā)射試飛。在蒸汽閥門開啟的一瞬間，這架仿古飛行器飛離蒸汽動力端，龍躍而起、直沖向前，在空中劃過一段優(yōu)美的弧線后平穩(wěn)落地，展現(xiàn)出古希臘文明的神奇魅力。這架蒸汽飛行器的成功復(fù)原和發(fā)射，除了團隊成員的專業(yè)功底和默契配合外，還有賴于掌握了正確的調(diào)試方法。下面，就為大家分享這架古希臘蒸汽飛行器的制作和發(fā)射過程。

三維建模

團隊成員首先使用大型CAD軟件CATIA對這架古希臘蒸汽飛行器進行了三維建模。這架模型的機身采用流線形設(shè)計，內(nèi)部中空；主機翼為橢圓形的平直翼，翼型上下對稱；水平尾翼后掠角為45°。該機的蒸汽動力部分位于尾部，是一個空心球，球體下方有3個支撐桿。在空心球內(nèi)，加裝有1/3-1/2空腔體積的自來水。飛行器尾部有一個尾噴口，通過蒸汽閥與蒸汽動力空心球連接。該模型發(fā)射姿態(tài)角約45°。

3D打印

三維建模工作完成后，將其轉(zhuǎn)存為3D打印機通用的STL文件，并進行3D打印。打印過程共耗時5小時左右，打印材料選用PLA聚乳酸塑料。最終，打印出的模型高10cm、長12cm、寬8cm，是一個1：10的塑料實體模型。

風(fēng)洞測試

3D打印出的模型使大家對這架古希臘蒸汽飛行器的外觀和結(jié)構(gòu)有了更進一步的認識。但由于它只有巴掌大小，若用作風(fēng)洞試驗誤差較大。因此，同學(xué)們根據(jù)打印出的模型，又用輕木板制作了一架1：3的縮比模型。因為這架吹風(fēng)模型主要用于測試飛行器的氣動性能，所以未制作蒸汽動力球。在機尾，取而代之的是緊固螺栓，可將模型與天平底端連接，以便調(diào)節(jié)模型的迎角。

隨后，大家用此前復(fù)原制成的1900年萊特兄弟的風(fēng)洞測試了它的氣動性能。風(fēng)洞試驗最大風(fēng)速約8m/s，數(shù)據(jù)由高精度風(fēng)速儀獲得。

測試時，使用了自行設(shè)計的電子天平測量模型的升力、阻力特性，并分別讀出兩個電子秤上顯示的升力、阻力數(shù)據(jù)。然后設(shè)定蒸汽動力端的蒸汽初始壓強，結(jié)合模型的重心、重量等數(shù)據(jù)，就可以預(yù)測和仿真這架古希臘飛行器的運動特性了。

制作與調(diào)試

參考風(fēng)洞測驗結(jié)果，大家開始制作1：1的古希臘蒸汽飛行器，同時對其外形、機體、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、蒸汽發(fā)射端、與發(fā)射端的接口等進行了詳細設(shè)計。

完工的模型翼展0.6m、機體總重1.3kg、其內(nèi)設(shè)有2.5L的蒸汽內(nèi)腔。在材質(zhì)上，機體選用PE泡沫板切削膠結(jié)；一對主機翼和一對后掠尾翼由實心泡沫制成。該模型尾部使用一個蒸汽控制閥門與蒸汽動力端相連。蒸汽動力端則由一個直徑約0.4m的不銹鋼蒸汽加熱空心球和3個支架組成。其中空心球體積約33L、壁厚10mm。其底部用大功率電磁爐進行加熱，能產(chǎn)生約2.5個大氣壓力，為蒸汽飛行器提供動力。

一切準備就緒后，開始進行飛行器調(diào)試。經(jīng)過反復(fù)拋投和多輪“失敗、改進、再失敗、再改進”的試飛后，這架古希臘蒸汽飛行器終于一飛沖天、發(fā)射成功。endprint