劉明罡

每年金秋時節(jié)，“科研類”全國航空航天模型錦標賽都會如期舉行。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生設(shè)計、制作、調(diào)試和操縱模型飛機的能力。許多高校學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”、“3ka限時載運空投”、“1kg限距載運空投”、“對地偵察”、“直升機模擬搜救”、“垂直起降載運”、“嫦娥奔月”、“電動模型滑翔機”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、浙江大學、同濟大學、空軍航空大學等92所高校、近2000名大學生參賽。

一、“對地偵察”

“對地偵察”于2013年首次設(shè)項，當年就吸引了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)則不斷改進的項目之一，技術(shù)含量高、涉及學科多。2015年該項目的競爭人數(shù)最多，共有126組、近500名學生報名參賽。

“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作業(yè)區(qū)域（圖2）；在作業(yè)區(qū)域完成模型飛機的組裝、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信息；偵察數(shù)據(jù)準確、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)，運動員不僅需熟悉飛行器的飛行原理、材料力學、結(jié)構(gòu)力學、電子通信技術(shù)等眾多學科，還需學習模型飛機制作工藝、掌握遙控無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，使得模型飛機的飛行性能和機載設(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)模型飛機的快速組裝和放飛，又會增加其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，給運動員設(shè)計和制作模型帶來了挑戰(zhàn)。偵察數(shù)據(jù)準確、用時最短的小組才能獲得最終的勝利，要求運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，反而不利準確偵察。此外，模型飛機的飛行控制、機載設(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。“嫦娥奔月”項目在設(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”在遙控操縱下到達指定地點，進一步提高了技術(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)動機大小進行限定，重點考察參賽者的飛行器設(shè)計能力。

三、“直升機模擬搜救”

“直升機模擬搜救”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做精準飛行，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投放，成功抓取投放目標球分值最高者獲勝。而每一次紅球或彩球的投放任務(wù)，都包括觀察-選擇目標-降落-觀察-抓取目標-起飛-觀察-降落-投放目標的步驟，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。

由于模型直升機的機動性很強，因此該項目操縱手必須具備高超的飛行技巧，能精準、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)參賽學生在編程計算、機械設(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搭載的機構(gòu)是否具備自動抓取、投放等功能上。

四、“垂直起降載運”

“垂直起降載運”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)新布局的機型（圖12-圖14）。

北航隊設(shè)計的創(chuàng)新布局模型飛機不僅飛行速度快，而且飛行動作精準，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”項目中用到的飛行器均是原創(chuàng)，需要參賽小組對其進行多目標優(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，模擬出模型飛機的布局形式。在設(shè)計制作后，模型飛機還需接受飛行實踐的檢驗，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)再次進行調(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）。