依托微型飛行器大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目 提高航空專業(yè)學(xué)生自主創(chuàng)新能力

張永杰　趙志彬　張曉化　王海濤

摘? 要：依據(jù)國(guó)家航空專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)要求，依托國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目，以新型微型飛行器為題，初步探討了實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目實(shí)施過程中自主創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)、創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)組成、微型飛行器設(shè)計(jì)制作、專業(yè)素養(yǎng)培育等問題，總結(jié)了項(xiàng)目指導(dǎo)過程中的一些經(jīng)驗(yàn)做法和收獲，期望對(duì)航空專業(yè)學(xué)生的自主創(chuàng)新能力培養(yǎng)有所裨益，能夠?yàn)楹娇談?chuàng)新人才培養(yǎng)模式改革提供有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：微型飛行器;大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)踐項(xiàng)目;航空專業(yè)學(xué)生;自主創(chuàng)新

中圖分類號(hào)：G640? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2020）23-0039-04

Abstract： According to the training requirements of national aviation professional innovative talents， relying on the National University Students' innovative experimental program， taking the new micro air vehicle as the topic， this paper preliminarily discusses the cultivation of independent innovation consciousness， the composition of innovation team， the design and manufacture of micro air vehicle， the cultivation of professional quality and other issues in the implementation of the experimental program. Moreover， some experiences and gains are summarized during the project guidance process. It will be hoped that these experiences and gains can be helpful to the cultivation of independent innovation ability of aviation students and provide some valuable reference for the reform of training mode of aviation innovative talents.

Keywords： micro air vehicle; innovative practice project for college students; aviation students; independent innovation

一、概述

近年來，隨著國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目的實(shí)施和不斷推進(jìn)，許多高等院校以此為契機(jī)，開展了大量創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目[1-5]，成績(jī)斐然。大學(xué)生們結(jié)合各自專業(yè)特點(diǎn)和興趣愛好，選擇合適的題目，在兩年時(shí)間內(nèi)完成計(jì)劃項(xiàng)目?jī)?nèi)容。該項(xiàng)目由國(guó)家教育部和學(xué)校聯(lián)合資助，院系提供支持條件;通過定期組織項(xiàng)目進(jìn)展匯報(bào)、成果展示以及經(jīng)驗(yàn)交流等活動(dòng)[6-9]，評(píng)選出優(yōu)秀的計(jì)劃項(xiàng)目予以獎(jiǎng)勵(lì)，并推薦到“全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新論壇”。該項(xiàng)目極大促進(jìn)了大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)[10，11]，也為大學(xué)生提供了一個(gè)展示創(chuàng)意和才華的舞臺(tái)。

本文探訪了西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院近十年來所開展的國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目的部分指導(dǎo)教師，并對(duì)其中幾個(gè)典型微型飛行器項(xiàng)目的指導(dǎo)過程進(jìn)行了調(diào)研和剖析，初步總結(jié)了指導(dǎo)過程中的一些經(jīng)驗(yàn)做法，期望為航空專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供一些有價(jià)值的參考。

二、以新型微型飛行器為題 引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新

微型飛行器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶、控制靈活、成本低、易于實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在軍用和民用領(lǐng)域都極具應(yīng)用價(jià)值，能夠完成偵查、定位、勘探、救援、危險(xiǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)等多種復(fù)雜飛行任務(wù)。近年來，隨著新型材料、微電機(jī)、微慣導(dǎo)以及飛行控制等技術(shù)的進(jìn)步，很多國(guó)家都研制出了性能優(yōu)異的微型飛行器，尤其以美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)發(fā)展最為迅速。雖然我國(guó)在微型飛行器方面的研究起步稍晚，但是在微電機(jī)和飛行控制等領(lǐng)域已具有國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)水平。

結(jié)合西北工業(yè)大學(xué)的航空專業(yè)特色，以新型微型飛行器的設(shè)計(jì)制作作為國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目是非常理想的，不僅具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，而且有利于學(xué)生將所學(xué)的專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí)。從選題到設(shè)計(jì)、制作、試飛等各個(gè)環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師應(yīng)為學(xué)生搭建一個(gè)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意的舞臺(tái)，鼓勵(lì)學(xué)生發(fā)散性思維、多角度思考，敢于嘗試、勇于探索新的設(shè)計(jì)思想，提出自己的奇思妙想;積極引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的專業(yè)知識(shí)活學(xué)活用，不斷改進(jìn)完善設(shè)計(jì)思想、精益求精。在微型飛行器的創(chuàng)新實(shí)踐過程中，要始終以學(xué)生為主體，強(qiáng)化自主意識(shí)，使其由學(xué)習(xí)創(chuàng)新轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾鲃?chuàng)新，真正提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

三、機(jī)電結(jié)合 跨專業(yè)組隊(duì) 發(fā)揮團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造力

制作一個(gè)成功的微型飛行器，需要綜合運(yùn)用飛行器總體設(shè)計(jì)、氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力裝置選配、電子與控制組件設(shè)計(jì)等多學(xué)科知識(shí)，所以一個(gè)成功的創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該是一個(gè)多學(xué)科多專業(yè)的有機(jī)組合，充分發(fā)揮各自專業(yè)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化設(shè)計(jì)和模塊化制作的目標(biāo)。由于所涉及的專業(yè)分屬不同的學(xué)科和院系，所以機(jī)電結(jié)合、跨專業(yè)組隊(duì)是最佳選擇。

按照西北工業(yè)大學(xué)的專業(yè)和院系設(shè)置，飛行器總體設(shè)計(jì)、氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作可由航空學(xué)院飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)學(xué)生承擔(dān)，動(dòng)力裝置選配工作可由動(dòng)力與能源學(xué)院飛行器動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生承擔(dān)，電子與控制組件設(shè)計(jì)工作可由自動(dòng)化學(xué)院的自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生或航空學(xué)院的飛行器控制與信息工程專業(yè)學(xué)生承擔(dān)。當(dāng)然，想要最大程度地激發(fā)出學(xué)生的集體創(chuàng)造力，還需要根據(jù)實(shí)際情況合理地調(diào)整團(tuán)隊(duì)組成和專業(yè)分工，以達(dá)到協(xié)作創(chuàng)新的目的。例如，飛行器設(shè)計(jì)與工程專業(yè)的學(xué)生若在航模遙控、單片機(jī)設(shè)計(jì)等方面有豐富的經(jīng)驗(yàn)，便可讓其承擔(dān)電子與控制組件的設(shè)計(jì)工作;同樣如果自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生在翼面制作、電機(jī)裝配等方面動(dòng)手能力很強(qiáng)，也可安排其承擔(dān)微型飛行器的機(jī)體設(shè)計(jì)和制作工作。不必過分強(qiáng)調(diào)專業(yè)分工，要根據(jù)學(xué)生的特長(zhǎng)與興趣安排具體工作，這樣更容易發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性。例如，嘗試讓學(xué)生依據(jù)自己的特長(zhǎng)、興趣自行組隊(duì)，成員間互相熟悉、配合默契，容易形成愉快的團(tuán)隊(duì)氛圍，充分發(fā)揮團(tuán)隊(duì)協(xié)作優(yōu)勢(shì)。

四、由試制到試飛 循序漸進(jìn) 激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)

與真正的飛機(jī)研制相比，微型飛行器的設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)單得多，但是它們的研制過程是相似的，都要遵循由簡(jiǎn)到繁、循序漸進(jìn)的原則。對(duì)于新型微型飛行器而言，試制是一個(gè)非常重要的基本環(huán)節(jié)，通過原型機(jī)的試制，學(xué)生能夠發(fā)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，及時(shí)改進(jìn)不足;讓學(xué)生在解決實(shí)際問題的同時(shí)，充分體會(huì)到飛機(jī)從設(shè)計(jì)到制造過程中的反復(fù)與艱辛，培養(yǎng)他們追求卓越、勇于進(jìn)取的精神。

雖然通過原型機(jī)的試制已經(jīng)暴露和改進(jìn)了原有設(shè)計(jì)的不足，但是微型飛行器研制的成功與否還要由試飛來驗(yàn)證?？傮w布置是否合理？機(jī)體重量和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求？動(dòng)力裝置輸出功率是否滿足升力要求？整機(jī)的平衡和穩(wěn)定性如何？電子與控制組件的協(xié)調(diào)性和靈敏度怎樣、能否滿足操控性要求？等等這些關(guān)鍵性的問題都需要在試飛過程中驗(yàn)證和解決。盡管學(xué)生們已對(duì)微型飛行器進(jìn)行了初步結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核、重量配置以及仿真模擬分析，然而實(shí)際制作過程中的加工精度、安裝精度、測(cè)量工具等諸多因素都會(huì)影響制作質(zhì)量和試飛效果。例如，下圖5（a）所示“微影”微型飛行器的原型機(jī)，由于前期設(shè)計(jì)和試制過程中沒有考慮電機(jī)安裝的配平問題，導(dǎo)致機(jī)體重心偏移、試飛側(cè)翻;在改進(jìn)設(shè)計(jì)中將每個(gè)電機(jī)固定在其對(duì)應(yīng)的螺旋槳下部，修正了重心位置，防止了側(cè)翻。另外，原有設(shè)計(jì)中并未考慮突風(fēng)對(duì)飛行的影響，而在改進(jìn)的設(shè)計(jì)中通過添加外部平衡翼增強(qiáng)了抵抗突風(fēng)的能力、提高了飛行穩(wěn)定性;改進(jìn)機(jī)型如圖5（b）所示。誠(chéng)然，從試制到成功試飛是在不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、改進(jìn)設(shè)計(jì)的迭代過程中實(shí)現(xiàn)的，學(xué)生將所學(xué)的專業(yè)知識(shí)靈活地運(yùn)用到解決實(shí)際問題中，不僅加深了對(duì)飛機(jī)研制過程的認(rèn)識(shí)，而且激發(fā)了他們的航空熱情。從試制到成功試飛，每一次新發(fā)現(xiàn)和新認(rèn)識(shí)，都是他們細(xì)致觀察和積極思考的展現(xiàn)，每一次改進(jìn)和完善，都是他們自主創(chuàng)新的收獲。

五、依托學(xué)科專業(yè)環(huán)境 提高學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)

在新型微型飛行器的設(shè)計(jì)制作過程中，學(xué)生需要許多軟硬件設(shè)備和實(shí)驗(yàn)室資源，除了本科生和研究生的創(chuàng)新基地外，指導(dǎo)教師應(yīng)依托所在學(xué)科的專業(yè)環(huán)境，盡可能為學(xué)生提供所需的軟硬件支持，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與科研活動(dòng)，使學(xué)生有一個(gè)完整做科學(xué)研究的經(jīng)歷，提高其專業(yè)素養(yǎng)。

仿真計(jì)算分析是現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段，讓學(xué)生學(xué)習(xí)一些常用的仿真計(jì)算軟件，能夠提高微型飛行器的設(shè)計(jì)水平，也有利于加深學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知。例如，在“微影”改進(jìn)機(jī)型控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，指導(dǎo)教師利用教研室單片機(jī)編程和測(cè)試工具，指導(dǎo)學(xué)生編寫了飛行姿態(tài)反饋控制比例-微分（proportion-differentiation，PD）算法[12]，并將其應(yīng)用于“微影”改進(jìn)機(jī)型的飛行姿態(tài)控制[12]（控制流程如圖6所示），效果顯著（該成果已經(jīng)發(fā)表于《機(jī)械科學(xué)與技術(shù)》，并被多次引用）。另外，在微型通用垂直/短距起降無人機(jī)[13]（如圖7所示）設(shè)計(jì)中，指導(dǎo)教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)了動(dòng)力學(xué)分析軟件，對(duì)螺旋槳旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了垂直起降時(shí)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的剛度不足問題;通過垂直/短距起降無人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的分析計(jì)算，初步驗(yàn)證了基于升力風(fēng)扇系統(tǒng)的垂直/短距起降技術(shù)在固定翼無人飛行器上應(yīng)用的可行性，為此類無人飛行器的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了有價(jià)值的技術(shù)參考[13]。此外，從元件加工到試驗(yàn)測(cè)試等諸多環(huán)節(jié)，指導(dǎo)教師可以依托所在實(shí)驗(yàn)室和創(chuàng)新基地的設(shè)備條件給學(xué)生提供支持，不僅提高了學(xué)生的實(shí)踐能力和專業(yè)素養(yǎng)，而且有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛力。

六、結(jié)束語

航空創(chuàng)新人才培養(yǎng)一直是航空專業(yè)院校的主要任務(wù)之一，依托國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目，結(jié)合航空專業(yè)特點(diǎn)，以新型微型飛行器作為實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目，從選題到設(shè)計(jì)、制作、試飛等各個(gè)環(huán)節(jié)，啟發(fā)和鼓勵(lì)學(xué)生的自主創(chuàng)新意識(shí);培養(yǎng)學(xué)生戰(zhàn)勝困難、勇于進(jìn)取的精神和航空?qǐng)?bào)國(guó)的崇高理想，不斷探索航空創(chuàng)新人才培養(yǎng)的新模式，提高航空專業(yè)大學(xué)生的自主創(chuàng)新能力。

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