劉明罡
每年金秋時節(jié),“科研類”全國航空航天模型錦標(biāo)賽都會如期舉行。該賽事自設(shè)立至今已成功舉辦了12屆,主要目的是考察參賽學(xué)生設(shè)計、制作、調(diào)試和操縱模型飛機(jī)的能力。許多高校學(xué)生在競賽中磨礪成長,并在畢業(yè)后成為國家科技建設(shè)隊伍中的生力軍和優(yōu)秀人才,其中不少已是國家高精尖科研項目的業(yè)務(wù)骨干。
2016年中國國際飛行器設(shè)計挑戰(zhàn)賽暨“科研類”全國航空航天模型錦標(biāo)賽預(yù)計10月在江蘇鎮(zhèn)江舉行,共設(shè)有“太陽能遙控模型飛機(jī)”、“3ka限時載運(yùn)空投”、“1kg限距載運(yùn)空投”、“對地偵察”、“直升機(jī)模擬搜救”、“垂直起降載運(yùn)”、“嫦娥奔月”、“電動模型滑翔機(jī)”8個競賽單元(圖1)和科研創(chuàng)新環(huán)節(jié)。
相較2015年,2016年比賽的所有項目名稱都沒有變化,也沒有新項目增加,只是在細(xì)則方面有一些差異。多年來,筆者都參與了這項賽事的籌備和裁判工作,下面結(jié)合2015年比賽中的部分項目,提出一些在技術(shù)、專業(yè)方面的看法和建議,以為各參賽隊備戰(zhàn)2016年的比賽提供一些參考。
2015年是“科研類”全國航空航天模型錦標(biāo)賽轉(zhuǎn)型中國國際飛行器設(shè)計挑戰(zhàn)賽的第二年,大賽共設(shè)立了8個競賽單元和科研創(chuàng)新環(huán)節(jié),吸引了來自北京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、空軍航空大學(xué)等92所高校、近2000名大學(xué)生參賽。
一、“對地偵察”
“對地偵察”于2013年首次設(shè)項,當(dāng)年就吸引了31所高校、50多組選手參賽。它是“科研類”賽事中發(fā)展非常迅速、比賽規(guī)則不斷改進(jìn)的項目之一,技術(shù)含量高、涉及學(xué)科多。2015年該項目的競爭人數(shù)最多,共有126組、近500名學(xué)生報名參賽。
“對地偵察”是大賽技術(shù)委員會受單兵航測偵察任務(wù)啟發(fā)而設(shè)立的比賽項目。參賽者以4人為一組,將所有航測設(shè)備裝入限定尺寸的模型箱里,并攜帶它穿越障礙到達(dá)作業(yè)區(qū)域(圖2);在作業(yè)區(qū)域完成模型飛機(jī)的組裝、放飛,并利用模型上的攝影、圖傳等設(shè)備“偵察”200米外地面天井中的5個靶標(biāo)信息(圖3);小組中的偵察員需在規(guī)定時間內(nèi)安全返回并向裁判員報出獲得的靶標(biāo)信息;偵察數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、用時短者獲勝。
“對地偵察”看似容易,但做起來很難。要完成項目中設(shè)計的任務(wù),運(yùn)動員不僅需熟悉飛行器的飛行原理、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、電子通信技術(shù)等眾多學(xué)科,還需學(xué)習(xí)模型飛機(jī)制作工藝、掌握遙控?zé)o線電模型的操縱技巧。
規(guī)則要求將所有航測設(shè)備裝入長寬高總和不超過1600毫米的模型箱里,使得模型飛機(jī)的飛行性能和機(jī)載設(shè)備受限。如果翼面積過小,會導(dǎo)致模型總升力不足、飛行性能不佳,無法搭載必要的航測設(shè)備。而要在作業(yè)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)模型飛機(jī)的快速組裝和放飛,又會增加其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度,給運(yùn)動員設(shè)計和制作模型帶來了挑戰(zhàn)。偵察數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、用時最短的小組才能獲得最終的勝利,要求運(yùn)動員在最短的時間里,以最快的速度完成“對地偵察”任務(wù);但模型飛得越快,偵察員就越難看清地面天井中的目標(biāo),反而不利準(zhǔn)確偵察。此外,模型飛機(jī)的飛行控制、機(jī)載設(shè)備的視頻傳輸?shù)葐栴}都直接影響到成績。
雖然2015年競賽規(guī)則設(shè)置的難度有所增加,但參賽選手的成績總體仍有提高,且出現(xiàn)了11個航測偵察滿分的參賽組。據(jù)悉,2016年“對地偵察”項目中將增加定點投放載荷科目,比賽難度進(jìn)一步加大。
二、“嫦娥奔月”
“嫦娥奔月”是2009年設(shè)立的比賽項目,也是“科研類”賽事中唯一的航天類競賽單元?!版隙鸨荚隆表椖吭谠O(shè)立之初,比賽規(guī)則為模型火箭發(fā)射升空,并依靠返回艙將一個生雞蛋完好無損地帶回地面。從2014年開始,改為返回艙著陸后自行釋放一輛“月球車”,且“月球車”在遙控操縱下到達(dá)指定地點,進(jìn)一步提高了技術(shù)要求。
2015年,該項目的參賽隊伍由之前的幾十組陡增至107組。各參賽隊設(shè)計制作的模型火箭五花八門(圖4),既有單體水火箭、多體并聯(lián)水火箭,也有爬升軌跡直線性較好、尺寸較長的模型火箭,或是“返回艙”較大、采用20余枚C級發(fā)動機(jī)的大型模型火箭(圖5)。綜觀比賽情況,來自設(shè)有航天相關(guān)學(xué)科院校的參賽隊優(yōu)勢明顯,理論知識對飛行實踐的指導(dǎo)作用效果顯著。為了提倡創(chuàng)新精神、提高比賽安全性,大賽技術(shù)委員會在制訂2016年規(guī)則時擬對模型火箭的發(fā)動機(jī)大小進(jìn)行限定,重點考察參賽者的飛行器設(shè)計能力。
三、“直升機(jī)模擬搜救”
“直升機(jī)模擬搜救”于2007年設(shè)立,一直被視為“科研類”賽事中難度最高的項目之一(圖6),歷年的參賽組數(shù)量始終徘徊在二三十左右,2015年共有33組報名參賽。
根據(jù)“直升機(jī)模擬搜救”的項目規(guī)則,參賽組中的飛手不僅要操縱模型直升機(jī)做精準(zhǔn)飛行,還要與其他隊員默契配合,將模型上搭載的攝像頭拍攝到的圖像及時反饋,在身后助手的引導(dǎo)下操縱模型直升機(jī)降落在指定的地點,等待搭檔通過圖傳視頻抓取紅球或彩球并配合完成精準(zhǔn)投放,成功抓取投放目標(biāo)球分值最高者獲勝。而每一次紅球或彩球的投放任務(wù),都包括觀察-選擇目標(biāo)-降落-觀察-抓取目標(biāo)-起飛-觀察-降落-投放目標(biāo)的步驟,期間小組成員的配合非常關(guān)鍵。至今仍無一支隊伍在規(guī)定時間內(nèi)成功抓取所有任務(wù)球。
由于模型直升機(jī)的機(jī)動性很強(qiáng),因此該項目操縱手必須具備高超的飛行技巧,能精準(zhǔn)、熟練地駕馭搭載有抓取裝置的飛行平臺。而要想得分,任務(wù)球抓取裝置的設(shè)計也非常重要(圖7-圖11)。為培養(yǎng)參賽學(xué)生在編程計算、機(jī)械設(shè)計、自動化控制等方面的能力,修訂后的2016規(guī)則將考察的重點放在了模型直升機(jī)搭載的機(jī)構(gòu)是否具備自動抓取、投放等功能上。
四、“垂直起降載運(yùn)”
“垂直起降載運(yùn)”可謂2015年“科研類”賽事中最引人注目的項目,原因是其規(guī)則進(jìn)行了“大換血”,僅規(guī)定了模型的動力電池不得大于80克。因為規(guī)則對模型的限定很少,所以選手們發(fā)揮的空間非常大。有的隊伍采用了三旋翼、四旋翼等多旋翼布局,有的沿用了之前比賽中的冠軍機(jī)型,有的用到了傾轉(zhuǎn)旋翼飛行器,還有的使用了創(chuàng)新布局的機(jī)型(圖12-圖14)。
北航隊設(shè)計的創(chuàng)新布局模型飛機(jī)不僅飛行速度快,而且飛行動作精準(zhǔn),給現(xiàn)場觀眾留下了深刻的印象。河北科大隊的垂直起降飛行器造型奇特,卻每次都能承載1000克以上的“貨物”飛行(圖15),令人稱絕。
“垂直起降載運(yùn)”項目中用到的飛行器均是原創(chuàng),需要參賽小組對其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。在動力一定的前提下,要想在規(guī)定時間內(nèi)運(yùn)載盡可能多的“貨物”,就得將“節(jié)能”放在首位。而“節(jié)能”的最佳方式,是讓飛行器的動力效率最高,這就需要設(shè)計者按照飛行原理,模擬出模型飛機(jī)的布局形式。在設(shè)計制作后,模型飛機(jī)還需接受飛行實踐的檢驗,并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)再次進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。
據(jù)悉,2016年項目規(guī)則變化的重點是突出賽事的科技含量。而回顧201 5年“科研類”全國航空航天模型錦標(biāo)賽,筆者最大的感受是規(guī)則“大換血”不可怕,創(chuàng)新才是“科研類”賽事制勝的關(guān)鍵(圖16-圖18)。