無人機第一課

馬春梅

深秋的北航，在新主樓的二樓，參加第十六屆“挑戰(zhàn)杯”決賽的大約幾百件作品綿延排開，這個亞洲最大的教學(xué)樓里有足夠的空間容納這些作品。溫暖的陽光透過窗外金黃的楓葉照進來，場內(nèi)熙熙攘攘、熱氣騰騰。

在一處明顯比別的展位大一些的場地，馬元一同學(xué)站在一架無人機旁邊，這是他們團隊的作品。無人機架在快到他肩膀的半空中，機頭抬起，似欲起飛。他背后一邊是展板，有圖有文字，是他們作品的介紹;一邊是巨大的液晶顯示屏，播放著無人機從軍艦上起飛、飛行的模擬影像。聚在屏前觀看的人絡(luò)繹不絕，時而還有人上前和馬元一交談。

11月12日晚，決賽落幕，北京航空航天大學(xué)以6項特等獎的優(yōu)異成績與清華大學(xué)共同捧得最高榮譽“挑戰(zhàn)杯”。北航同學(xué)的6個作品中，就有馬元一所在團隊的這個無人機作品。

起點 起航

這架無人機叫“基于低阻復(fù)合式氣動布局的垂直起降高速飛行平臺”，它的創(chuàng)作團隊由李盛喆、夏宇辰、馬元一、韓睿四名同學(xué)和指導(dǎo)老師王耀坤組成。比賽前，第一作者李盛喆出國深造，而韓睿攻讀碩士研究生時間不充裕，所以籌備此次“挑戰(zhàn)杯”的工作就落到了夏宇辰和馬元一身上。

當(dāng)記者說起這個無人機名字對非專業(yè)人士來說實在有點拗口的時候，夏宇辰笑著解釋道，“目前，它確實還沒有昵稱，名字雖然長，但也最能體現(xiàn)它的特色?！边€是這個主樓，在5樓的一間實驗室，夏同學(xué)和馬同學(xué)作為團隊代表接受了記者的采訪，交談中，記者從他們這里學(xué)習(xí)到了無人機的第一課。

“它‘牛在哪兒呢？”記者問。兩位同學(xué)回答，簡單說它實現(xiàn)了垂直起飛、穩(wěn)定過渡、高速飛行。這個無人機翼展3米乘3米，只要有比這個尺寸大一點的空地，它就可以垂直起飛;起飛到安全的高度它可以迅速過渡到穩(wěn)定的高速飛行狀態(tài);它時速可達300公里，超越了目前最快的載人直升機220公里的時速。

一般常見的飛機都是固定翼飛機，它需要較長的跑道進行滑跑起飛，對起降場地要求很高，而能夠做到垂直起飛的直升機，它的速度又比較慢。這款無人機最大特色就是垂直起飛，而且相較于載人直升機，它又能達到更高的速度。

這個團隊是通過哪些技術(shù)創(chuàng)新實現(xiàn)了這些？兩位同學(xué)詳細講解道：外形上是低阻復(fù)合式氣動布局，也就是通過四個大拉力的四旋翼，分別配置在無人機的四個方面，從而帶動無人機實現(xiàn)垂直起飛。結(jié)構(gòu)上是包覆式整流機構(gòu)，也就是給無人機的螺旋槳設(shè)計了一個收納機構(gòu)，垂直起飛的時候螺旋槳伸出來，在高空平行飛行時收起來，從而降低飛行阻力，實現(xiàn)高速。動力上是油電混合的動力系統(tǒng)，采用了渦輪噴氣式發(fā)動機，并進行了必要的適配設(shè)計，另外無人機機身使用了新型復(fù)合式材料。正是這四大特點：低阻復(fù)合式氣動布局、包覆式整流機構(gòu)、油電混合動力系統(tǒng)和新型復(fù)合材料，深深打動了評委。

夏同學(xué)和馬同學(xué)作為團隊代表接受了記者的采訪，交談中，記者從他們這里學(xué)習(xí)到了無人機的第一課

兩位同學(xué)還講到，這架無人機的應(yīng)用場景主要是驅(qū)逐艦，因為驅(qū)逐艦艦載飛行平臺通常設(shè)在艦尾，起降空間小，不能滿足像在航母上一樣的滑跑起飛條件，這使得垂直起飛成了必選項。但如果使用普通載人直升機載人執(zhí)行艦上巡航任務(wù)，那又必須承擔(dān)人員傷亡風(fēng)險，而且飛行速度也比較慢。一款能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定可靠的垂直起飛、高速飛行的無人機，能較好地滿足驅(qū)逐艦上的巡航作業(yè)需求。當(dāng)然要真正應(yīng)用到軍艦上，還要進行多次軍艦上的實地實驗，解決克服大風(fēng)的影響等實際問題。

此外，這個無人機在民用上也有很大前景，比如森林巡防，在森林旁邊不可能都配齊跑道，那么這種對起降條件要求比較低的無人機就有了用武之地，而且相較于人力巡防還能縮短作業(yè)時間，同時覆蓋較大面積。這架無人機仍有很大優(yōu)化和改進的空間，項目研發(fā)還會繼續(xù)迭代。

四年 四代

說到“迭代”研發(fā)，其實這次參賽的這架無人機已經(jīng)是第四代了，第一代還只是一個普通的四旋翼無人機，同時攜帶一個固定翼，在空中分離后實現(xiàn)巡航功能。到了第二代，常規(guī)固定翼和垂直起飛的螺旋槳就被融合到了一起，實現(xiàn)了一架無人機的垂直起飛和高速飛行。到第三代時，無人機外形得到了大幅改進，阻力減低后，飛行性能和速度大幅提升，第四代在更換了動力系統(tǒng)之后，飛行性能和速度再一次得到提升。

在四年時間里，先后有四“代”北航同學(xué)參與到這個項目中來，項目最初的想法由李盛喆提出?！霸诖笠缓娇蘸教旄耪撜n上，院長向同學(xué)們介紹了各類新式無人機概念，其中說到垂直起降高性能無人飛行器一直是歐美國家軍事研究的熱點，而我國仍處于起步階段。后來，我又了解到非航母作戰(zhàn)艦艇由于起降空間的限制對艦載無人機又有著特殊的需求，于是一個項目點子就這樣闖進腦海：能不能造出一架適合非航母作戰(zhàn)艦艇的可以垂直起飛并高速飛行的艦載無人機呢？”李盛喆回憶道。

后來，“迭代”研發(fā)的方式給了夏宇辰和馬元一等人參與項目的機會，他們從無人機第三代的研發(fā)開始介入項目，并利用自身專業(yè)優(yōu)勢，承擔(dān)起提升無人機機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)性能的任務(wù)，深度參與了第四代無人機的研發(fā)工作，而他們也從中學(xué)到了很多。

2019年的暑假，夏宇辰和馬元一幾乎都在河南的工廠，他們同工人師傅同吃同住，一起加工制造這架無人機?！耙酝覀儧]有接觸過實際生產(chǎn)，所以剛開始我們設(shè)計的幾個零件根本用不了，在與工人師傅不斷溝通后，他們告訴我們哪里行，哪里不行，我們再去做更切合實際應(yīng)用的改進?！眳⑴c項目的過程讓兩位同學(xué)真切地看到了書本和實踐的差距。

“以前在學(xué)校做學(xué)生科創(chuàng)或者自己的一些項目，我可能會通過淘寶聯(lián)系工人師傅，把圖紙發(fā)給他，讓他們幫忙做了就完了，而這兩個月，我們確實要跟工人師傅一起共同努力，如果他們在制作過程中遇到什么問題，我們現(xiàn)場就要馬上去溝通解決。書本上學(xué)到更多是原理性的東西，而應(yīng)用到實際中，則需要更多的經(jīng)驗和更契合實際的調(diào)整。”

他們鍛煉了統(tǒng)籌協(xié)調(diào)和時間管理等多方面的能力，“除了項目和賽事本身的壓力，還有一個時間窗口期的問題要解決，無人機需要試飛，可能會遇到空域管制，試飛前要提交申請協(xié)調(diào)空域，為了趕每一次的時間窗口期，我們都必須之前就讓無人機飛起來，刻不容緩?！?/p>

為了安排好日常學(xué)習(xí)和科創(chuàng)活動備戰(zhàn)，他們必須充分利用好課余和寒暑假時間，為了盡量少耽誤課，他們兩個就輪流去外地試飛，每次去都不忘帶上作業(yè)帶上書，見縫插針地學(xué)習(xí)。

夏宇辰和馬元一是通過學(xué)院推薦進入到這個項目團隊中的。之所以能被推薦也與他們各自的經(jīng)歷和特長有關(guān)，他們從大一開始就自己申請了科創(chuàng)項目，并得到了國家支持大學(xué)生創(chuàng)業(yè)的經(jīng)費支持

如果指導(dǎo)老師有什么事情需要開會，他們就隨時線上聯(lián)系，晚上在項目組開會討論到夜里兩點也是常有的事。這里也不得不感嘆，好的身體也很重要。

會學(xué) 會創(chuàng)

當(dāng)然，他們的成功也離不開學(xué)校的好氛圍。

一架小小的無人機，幾乎要涉及北航的所有院系：航空，主要做無人機的總體設(shè)計。材料，做無人機必須有適合的材料，既要強度高又要重量輕。電子，無人機上必會有電子系統(tǒng)，從而實現(xiàn)和地面的通訊。自動化，涉及無人機控制系統(tǒng)的方方面面。能源動力，更是無人機要飛上天所必須研究的。甚至一些社科類專業(yè)也與無人機科研有關(guān)，比如在無人機普及率越來越高的情況下，空管問題應(yīng)該如何協(xié)調(diào)、規(guī)范等等。

就拿此次參賽的這架無人機來說，整體設(shè)計是由航空系的李盛喆進行的，無人機的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)由學(xué)機械的夏宇辰和馬元一負責(zé)。無人機機身采用全碳復(fù)合材料，部分特殊材料是在材料學(xué)院老師的幫助下共同研發(fā)的。“為了提升速度，在改發(fā)動機時出現(xiàn)了一些問題，以前的老材料不適用，我們就向材料學(xué)院提出了申請，在材料學(xué)院的實驗室研發(fā)了新型復(fù)合材料?！眱晌煌瑢W(xué)解釋說。

夏宇辰和馬元一是通過學(xué)院推薦進入到這個項目團隊中的。之所以能被推薦也與他們各自的經(jīng)歷和特長有關(guān)，他們從大一開始就自己申請了科創(chuàng)項目，并得到了國家支持大學(xué)生創(chuàng)業(yè)的經(jīng)費支持。同時，他們在文字、演講、攝影和管理等方面也表現(xiàn)出色。

實際上，北航像他們這樣進行相關(guān)科創(chuàng)活動的同學(xué)很多，大一進來之后并不只跟著規(guī)定的課程去學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課，同學(xué)有一些想法之后，就會主動去學(xué)去做，比如積極向老師討教，自己找相關(guān)的書讀、有針對性地選一些課、加入一些社團，或者去尋找更多資源和機會去鍛煉自己，等等?！斑@種狀態(tài)是北航學(xué)生的一大特色?！毕耐瑢W(xué)說。

北航學(xué)子之所以在“挑戰(zhàn)杯”等國家級大賽中屢獲佳績，還離不開北航校內(nèi)的各種創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐。許多北航同學(xué)會說：“大學(xué)期間如果沒參加過‘馮如杯”，感覺北航經(jīng)歷不完整?！薄榜T如杯”已經(jīng)舉辦了30年。最近一屆是在2019年舉辦，評選出一等獎21項、二等獎78項。夏宇辰和馬元一的團隊同樣也是從“馮如杯”的賽場中脫穎而出，之后又參加北京市“挑戰(zhàn)杯”，最后進入到全國總決賽的。

除了這些，北航的國家、省部級重點實驗室也一直對所有學(xué)生開放。學(xué)生的科研課題只要立項，學(xué)校都會指定專門的老師進行指導(dǎo)。一些優(yōu)秀的項目，學(xué)校還會幫助與校友企業(yè)對接，獲得更多支持。

“我們這次的項目就得到了校友企業(yè)天峋無人機公司的支持，它是由我們學(xué)校的Unicorn無人直升機團隊發(fā)展而來的，如今已經(jīng)成為服務(wù)雄安新區(qū)建設(shè)的唯一無人機供貨商了。”馬元一說。

據(jù)統(tǒng)計，近三年（2016年4月至2019年4月），北航共孵化本科生團隊47個，雙創(chuàng)團隊共獲國際級獎勵13項，國家級獎勵47項，省部級獎勵423項，覆蓋約1700人次。

飛去 飛來

如果不是聽兩位同學(xué)講，我們真沒想到國內(nèi)無人機產(chǎn)業(yè)發(fā)展得如此之快。他們共同研發(fā)無人機的工廠在河南，是一個從飛機設(shè)計到具體加工都涵蓋的整機生產(chǎn)企業(yè)，包括航模和功能性的帶載荷無人機也都能生產(chǎn)，他們還接了很多國外的訂單。據(jù)他們了解，類似的飛機制造企業(yè)全國各地都有發(fā)展。

航空器材料的應(yīng)用經(jīng)歷了從鋼到鋁合金再到鈦合金，目前又朝復(fù)合材料發(fā)展，這個工廠就能做出他們所要求的復(fù)合材料?！拔覈糜谲姽さ囊恍╉敿壊牧仙a(chǎn)工藝可能還達不到國外的水平，但民用方面，尤其必須考慮成本控制和輕量化要求時，我國的生產(chǎn)企業(yè)做得還是很不錯的?！?/p>

兩位同學(xué)介紹，目前無人機技術(shù)本身已經(jīng)相對成熟了，但實踐應(yīng)用方面，比如與各個行業(yè)的對接、結(jié)合、應(yīng)用等還非常值得探索。

給予他們很多幫助的校友企業(yè)天峋無人機公司目前就在做新型無人機，尤其在更高端的專業(yè)級應(yīng)用方面有突破，比如森林防火、電力巡線等。就拿電力巡線來說，之前的做法一直是人爬到電線桿上去看，很麻煩，其實完全可以用無人機加上相應(yīng)的設(shè)備去檢查，從而節(jié)省人力、提高效率。今后應(yīng)該還會有很多行業(yè)應(yīng)用到無人機。

科技不斷進步的今天，新的技術(shù)也會促進無人機發(fā)展，比如通過5G和無人機的結(jié)合，數(shù)據(jù)傳輸可以更快，無人機之間也可以實現(xiàn)聯(lián)系，現(xiàn)在大家看到更多是一架無人機在空中飛，也許未來可能會是幾十架甚至上萬架無人機都可以通過5G技術(shù)聯(lián)系到一起，在空中一起飛。

他們相信我國在無人機制造方面很可能彎道超車，目前我國大疆無人機公司已經(jīng)是世界第一了，包括美軍在內(nèi)都在裝備大疆無人機，大疆公司最大的貢獻應(yīng)該是通過控制系統(tǒng)研發(fā)大幅降低了無人機制造成本。打個比方說，以往可能要用一個1000塊的傳感器才能讓無人機實現(xiàn)穩(wěn)定飛行，但大疆通過編寫代碼，用100元的傳感器就可以實現(xiàn)相同的效果，所以它在這方面取得的成就已經(jīng)超越了美國等發(fā)達國家。

采訪中，兩位同學(xué)雖未表達出未來繼續(xù)深造的明確方向，但可以肯定的是，他們會保持對無人機的興趣。

“從一開始的設(shè)計到后來的加工，再到試飛、實驗，我們在項目中相當(dāng)于經(jīng)歷了一個無人機從無到有的全流程，今后如果我想在無人機領(lǐng)域做某一方面的研究，那就已經(jīng)有了一個參照，我會非常清楚我想要探索的這個方面前景如何，而我還需要什么樣的能力和素質(zhì)去適應(yīng)和挑戰(zhàn)這個領(lǐng)域。”

“挑戰(zhàn)杯”之后，也有一些企業(yè)和實驗室來找他們，想請他們加入自己的團隊，有些企業(yè)還想提供一些投資，幫他們創(chuàng)業(yè)。但兩位同學(xué)不約而同地選擇了繼續(xù)讀書深造，通過深入學(xué)習(xí)更多專業(yè)知識和技術(shù)，積蓄更充盈的能量。

的確，當(dāng)擁有夢想與情懷的人面對未來層出不窮的機會和無限廣闊的發(fā)展空間時，記者相信，他們一定會努力奔向下一個“成功”。