向着阳光飞翔太阳能模型飞机参赛历程回顾

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科研类全国航空航天模型锦标赛自2011年设立太阳能模型飞机项目至今已有3年，我所在的西北工业大学航空科技创新实践基地一直参加了此项目的角逐，从第1年的第4名到2012年的第2名再到2013年终于问鼎冠军。我有幸成为3届比赛的参与者和见证者，一路走来既有悲伤也有喜悦，既有遗憾也有收获。在此撰文与广大读者分享几年来的参赛历程以及对该项目的一些感悟与浅见。

太阳能模型飞机依靠机载太阳能电池板吸收阳光辐射的能量，将其转换成电能驱动动力系统及操纵系统实现其在阳光下飞行。在世界范围内，从第一架太阳能模型飞机Sunrise Ⅰ升空到世界上最大的太阳能飞机“太阳驱动”号进行环球飞行（图1、图2），几乎所有的太阳能飞机都携带有储能电池以保证在其起飞阶段有足够的能量供应。而科研类全国航空航天模型锦标赛组委会为保证比赛的公平性及独创性，区别于其他类型的太阳能模型飞机，特别规定参赛模型必须将动力电路与控制电路进行物理隔离，以实现真正的单纯依靠太阳能动力进行飞行。这在世界范围内的各项太阳能飞机赛事中都属首创，对各参赛队模型飞机的设计和制作也提出了更高的要求。

2011年，太阳能模型飞机项目首次设立。当时的比赛规则可简单概括为：整机重量2～3kg、允许用60m长的牵引线牵引模型起飞、模型的动力系统必须与控制系统进行物理隔离、动力系统的电路内不允许有储能设备。比赛成绩主要考量空机重量、载重量及留空时间3项指标，即空机重量轻、载重量大、飞行时间长者得分高。

对于这些规则，我们团队分析后认为，取胜的关键在于怎样将模型飞机做大，使其具有更大的翼面积、搭载更多的太阳能电池板，并且尽可能利用较大的翼面积在上升气流区域盘旋，增加其留空时间。确定了上述基本思路后，模型飞机的详细设计随即展开。为保险起见，我们先设计了一架最低重量限制为2kg的验证机（图3）。经绘图、切割、制作及设备组装和整机测试，这架太阳能模型飞机在牵引线的牵引下成功实现了首飞。

但在随后进行的测试和分析中，我们认为这架验证机的翼载荷过大、飞行速度过快，无法达到设计要求。为此，将模型飞机进一步做大成了下一阶段的工作重点。经过调整和改进，一架翼展5.5m、总重3kg的新模型在队员们加班加点的赶制中，于赛前完工（图4）。由于时间仓促，未经验证飞行和调整的这架模型就被带到赛场。尽管模型够大、太阳能电池板数量够多，但因它没有副翼，操纵性能较差，很难“吃到”上升气流，比赛中只飞行了4分32秒就降落了。

首次比赛结束后，大家及时总结经验与教训。通过对比我们发现，其他学校的模型飞机在操纵性能和动力系统方面的优势较为明显，而这正是取得好成绩的关键（图5）。

经过重新分析论证，我们认为，因为太阳能模型飞机的能源非常有限，所以若动力系统不能高效地将能源转化为拉力，必然会陷入被动的局面。而且如果模型没有副翼，操纵性能不佳，除了难以操纵其进入有利的上升气流外，还将直接影响模型飞行姿态，使太阳能电池板接受光照的有效面积减少，进而导致能源供应不足。综合以上因素，我们将下一年的工作重点放在螺旋桨的设计和改善模型操纵性能上。

2012年的比赛规则相较2011年，除要求模型不借助外力自主起飞外，其他方面未有大的改动。由于规则规定可使用小车帮助模型滑跑，因此我们专门设计了能实现模型滑跑和脱钩的小车（图6）。吸取了2011年比赛的经验教训，我们提前半年就开始新模型以及与其配套的螺旋桨的设计工作。

在模型的操纵性方面，为使模型操纵灵活，增加副翼是必然的选择。这样一来，必须加强机翼的刚度，但对于用碳管做主梁的机翼，如何加强却不太好实现。在尝试了多种办法后，我们最终采用了“碳管―翼肋―斜翼肋”的结构，使机翼刚度得到很大加强，特别是扭转刚度的改善非常明显（图7）。经测试，这种机翼的刚度完全满足设计要求。

在螺旋桨的设计方面，能源与动力学院的吴迪同学根据椭圆机翼理论，自主编写了低涡阻螺旋桨设计程序，并利用该程序成功设计出低涡阻螺旋桨。经CFD软件仿真计算，该螺旋桨能源转化效率比市面上普通的螺旋桨高出近30%（图8）。随后进行的模具加工、螺旋桨制作和实际测试也验证了这款低涡阻螺旋桨设计方法的正确性和CFD仿真结果的准确性（图9）。

有了操控性良好的模型和转化效率突出的螺旋桨，新模型顺利完成了各科目的试飞。但在一次训练飞行中，由于地面检查不仔细，忘记固定一侧机翼，因此付出了摔毁一架模型的巨大代价（图10）。这个意外也给全队敲响了警钟――对待模型飞机不能有丝毫马虎，即便是非常不引人注意的细枝末节都可能导致灾难性的后果。新机制作完成后，我们带着两架模型飞机来到2012年的赛场――荆门。

由于天公不作美，唯一一轮比赛只得在多云的天气条件下进行。尽管光照度极低，许多参赛队的模型飞机都无法完成30分钟的飞行，但凭借自主设计制作的高效低涡阻螺旋桨，我们的模型还是艰难地完成了起飞、爬升和飞行30分钟的目标（图11）。最后，模型在队员们的欢呼声中安全降落。虽然此次我们只拿到亚军，但能顺利完成整个比赛就是对大家辛苦努力的良好回报。当然，冠军昌航队的精彩表现以及其模型飞机精细的做工也成为我们学习的榜样（图12）。

2012年的比赛结束了。根据惯例，我们再次及时总结。结合2011年的参赛经验，我们发现太阳能模型飞机项目的进步巨大：从第一年时牵引起飞不能飞满30分钟，到次年模型最大载重量0.6kg、在低光照条件下就能自主起飞并飞完全程。在感叹各队技术进步迅速的同时，我们也感受到了前所未有的压力。总结自己模型的优、劣势，并与其他队优秀的模型飞机进行对比后，我们发现动力系统依然是成败的关键。只有充足的动力才能保证模型飞机在各状态下都能从容飞行，因此动力再次成为我们下一步的工作重点。

2013年，比赛规则与以往相比基本未做大的改变，只是强调电路必须进行物理隔离（图13）。为此，北航的张文强同学专门对未做物理隔离的电路进行了研究，发现其对动力系统确实有一定影响。针对动力系统设计，我们确定了两方面的优化方向：一是增加太阳能电池板铺设面积，提高能源供给总量；二是开发螺旋桨自动变桨距系统，更高效地利用有限的能源。前者需要对模型飞机进行更加精细的设计制造，后者则要具备坚实的理论基础和较高的软件编程和电路开发能力。工作方向定好后，2013年新任项目总师鲍舒同学就带领大家展开了相应工作。

不过前期工作的准备并不顺利，部分材料短缺导致工作进度迟缓，直到暑假快结束首架验证机才完成。由于增大了太阳能电池板铺设面积，而模型飞机的结构重量又有所减小，导致机翼扭转刚度未能达到要求，因此第一架验证机在2kg载重科目试飞时就出现摔机意外。面对挫折，团队的每一个人更加努力。温逸伦同学重新进行了机翼结构设计及其扭转刚度的实际测试，确保机翼刚度满足设计要求。与此同时，动力系统方面的最大功率追踪系统和自动变桨距系统的设计制作也初步完成（图14、图15）。大家开足马力、加班加点，终于在赛前完成了所有工作。

比赛当天，虽然光照度充足，但因风速过大，个别参赛队的模型飞机甚至未能起飞就在称重环节被大风掀翻。针对大风的不利影响，我们果断调整方案，将两个外翼段的机翼去掉，原5.6m的翼展减小到4.6m。虽然去掉外翼段使机翼面积所有减小，太阳能电池板数量也减少了8块，而且牺牲了一定的载重能力，但却保证了模型飞机具有足够的机翼刚度和较好的穿越性能（图16）。最终，临时调整的模型依靠高效的动力系统完成了起飞、爬升和飞行规定时间3项任务并安全降落，帮助我们在27支队伍中勇夺冠军（图17）。这一荣誉的取得是对我们3年来所付心血的最好褒奖。

3届参赛的经历证明：太阳能模型飞机项目，取胜的关键在于高效的动力系统和高水平的结构设计，两者缺一不可。对于能源供应有限的太阳能模型飞机而言，动力系统的效率决定着其载重量的大小，而这正是该项目最基础、最重要的；结构设计的水平则关乎模型的操纵性和安全性。希望在以后的比赛中能出现更新颖的气动布局（如飞翼、串列翼、鸭翼等）、更巧妙的结构设计（如柔性机翼、单壳式结构等）以及更高效的动力系统（如单叶螺旋桨、智能电源管理系统等），也期盼各队能发挥各自的优势，设计和制作出有鲜明特色的太阳能模型飞机。

科研类全国航空航天模型锦标赛组委会将太阳能模型飞机项目作为甲组项目，体现出该项目有别于其他肮模竞技比赛的科研和创新性质。作为参赛已有3年的老队员，我从对模型飞机知之甚少到如今能够设计和制作太阳能模型飞机，收获了很多知识经验，更收获了许多珍贵的友谊。新一年的比赛仍将继续，希望有更多学校参与到这项赛事中，也希冀这项比赛早日升级为国际赛事，邀请各国的航空名校参加，在更高水平与层次的交流竞争之中实现更大的进步。