“飛行時間已滿15分鐘，模型飛機(jī)可以降落”，聽到裁判的口令，全場迸發(fā)出陣陣歡呼，“冠軍誕生了”！這一幕，發(fā)生在2014年9月30日的“科研類”全國航空航天模型錦標(biāo)賽上。當(dāng)時，全場只有西安交大航模隊的太陽能模型飛機(jī)成功連續(xù)飛行了15分鐘，不僅達(dá)到了比賽的最大留空時間要求，而且自重3千克的模型還載有2千克的重物。待模型平穩(wěn)降落后，西安交大航模隊的隊員們激動不已。參加太陽能模型飛機(jī)載重飛行項目4年，全隊終于獲得了冠軍，成為西安交大航模隊史的一個里程碑?；仡?年來的摸索和拼搏，所有的隊員與比賽一同成長，并靠技術(shù)革新最終實現(xiàn)了絕地反擊。

2011年，項目初設(shè)

2011年，“科研類”全國航空航天模型錦標(biāo)賽首次設(shè)立了太陽能模型飛機(jī)載重飛行項目，要求參賽者自主設(shè)計并制作一架自重不超過3千克的太陽能模型飛機(jī)，而且僅靠光伏動力完成載重飛行。

因為這是錦標(biāo)賽中第一次出現(xiàn)太陽能動力類項目，所以沒有現(xiàn)成的經(jīng)驗可參考。隊員們對太陽能模型飛機(jī)的尺寸、氣動布局完全沒有概念，對太陽能電池板的鋪設(shè)有沒有任何經(jīng)驗。一切都是未知，都需要探索。

拿到比賽規(guī)則后，航模隊就競賽機(jī)的設(shè)計方案各抒己見。在討論中，有個隊員曾提出一個十分新奇的方案：考慮到比賽在10月的山東萊蕪（大約北緯36°），比賽時太陽的照射角度較小，可在模型飛機(jī)上安裝一個類似預(yù)警機(jī)天線罩的圓盤并放置太陽能硅片，讓其對準(zhǔn)陽光以獲得更多的陽光照射。最后，經(jīng)過大家討論，太陽能模型飛機(jī)的方案確定為常規(guī)布局設(shè)計，電池板鋪設(shè)在機(jī)翼上。

接下來，航模隊設(shè)計制作了首架樣機(jī)。至今想起這架模型飛機(jī)，很多老隊員還是忍俊不禁。那是西安交大航模隊做過的翼展最大的模型飛機(jī)，翼展長達(dá)7.4米，采用與翼尖一體的全動副翼。之所以這樣設(shè)計，是因為太陽能模型飛機(jī)的動力有限，采用大展弦比機(jī)翼能提高其工作效率。而讓人意想不到的是，這架被一致看好的模型飛機(jī)，首次試飛就炸機(jī)了，僅僅留空2秒。隊員們的心情十分沉重，事后一遍遍、一幀幀地仔細(xì)研究飛行錄像后，發(fā)現(xiàn)了一個關(guān)鍵問題——由于過分追求更大的翼展和更輕的重量，忽略了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和機(jī)翼剛度，因此模型在升空后機(jī)翼嚴(yán)重扭曲變形，無法操控。

吸取了第1架樣機(jī)的經(jīng)驗，大家又齊心協(xié)力制作了第2架。相比前一架，這架模型飛機(jī)由全動副翼改成了常規(guī)舵面，翼展也減至5米，并在機(jī)翼中增加了斜撐翼肋以提高整體剛度。試飛成功后，看著模型飛機(jī)安全降落，隊員們懸著的心終于落地。緊接著，航模隊又信心滿滿地先后設(shè)計制作了第3架、第4架樣機(jī)。經(jīng)過反復(fù)試驗，最終的參賽機(jī)定型：全機(jī)自重3千克、翼展4.14米、機(jī)翼面積1.95平方米，共鋪設(shè)48片太陽能電池板，且全部直接鋪設(shè)在機(jī)翼表面。

機(jī)體定型后，還需進(jìn)行光伏動力系統(tǒng)和電子設(shè)備的設(shè)計。考慮到太陽能電池板的性能特點，隊員們自行設(shè)計并制作了太陽能電池最大功率跟蹤系統(tǒng)和高效的盤式無刷電機(jī)。因為光伏電池不同于化學(xué)電池，其輸出功率具有明顯的非線性特征，所以為讓動力系統(tǒng)輸出最大功率，提高太陽能電池板的利用效率，隊員們想出了增加一個太陽能電池最大功率跟蹤系統(tǒng)的辦法：當(dāng)油門量小于50%時，由操縱手控制油門；當(dāng)油門量大于50%時，由系統(tǒng)自動控制，并保證發(fā)揮出最大功率。之所以自制無刷電機(jī)，是因為隊員們發(fā)現(xiàn)當(dāng)時市場上的電機(jī)不適用于太陽能模型飛機(jī)，于是根據(jù)其動力特點做了一款高電壓、大扭矩的盤式無刷電機(jī)。經(jīng)理論計算，最終定型為一款18槽定子、24級轉(zhuǎn)子的無刷電機(jī)。在試驗中，它漏磁較少、效率較高，能滿足太陽能模型飛機(jī)的飛行需求。

2011年10月，隊員們信心十足地進(jìn)入賽場。而老天爺似乎和大家開了一個玩笑，比賽當(dāng)天光照度嚴(yán)重不足，只有16 000勒克斯（正常飛行光照應(yīng)大于30 000勒克斯），而且比賽接近尾聲時還下起了小雨。盡管條件惡劣，比賽還是照常進(jìn)行。只是在這樣的天氣情況下，比賽已然成為各個參賽隊模型飛機(jī)滑翔性能的比拼。輪到西安交大航模隊上場，雖然依靠隊員們的奮力牽引，模型飛機(jī)順利起飛，但是精心設(shè)計的最大功率跟蹤系統(tǒng)和高電壓、大扭力的盤式電機(jī)完全沒有用武之地。隊員們?yōu)檫@架凝聚了全隊心血的“大鳥”感到惋惜。

第一次賽場嘗試的結(jié)果是季軍，成績一般，好在參與的隊員不僅積累了很多設(shè)計和制作的經(jīng)驗，還認(rèn)識到了總體設(shè)計中存在的不足。

2012年，新的挑戰(zhàn)

2012年“科研類”全國航空航天模型錦標(biāo)賽在湖北荊門舉行。這一次，規(guī)則要求太陽能模型飛機(jī)必須滑跑起飛，而非之前的牽引起飛?；芷痫w對飛行器的動力提出了很大挑戰(zhàn)，因為在起飛階段耗能最大。有了上次的經(jīng)驗，航模隊提前考察了荊門地區(qū)的天氣情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)乜諝鉂穸却?、云量多、光照度偏低，因此天氣必須作為設(shè)計的一個重要因素。

2012年5月，大家集思廣益，一起討論太陽能模型飛機(jī)的氣動外形。首先被提及的是雙尾撐布局，該布局能在一定程度上減小機(jī)翼彎矩，有效提高整機(jī)的強(qiáng)度和剛度。但經(jīng)過進(jìn)一步討論，該方案被放棄。原因是相比常規(guī)布局的模型飛機(jī)，雙尾撐不但偏重，而且機(jī)翼、雙尾撐和平尾形成的矩形易變形，導(dǎo)致操縱性變差。最終，常規(guī)氣動布局方案高票入選。

為了比較機(jī)翼對工作效率的影響，隊員們設(shè)計制作了兩架不同翼展的模型飛機(jī)。其中一架展弦比較大，翼展達(dá)到了5 040毫米，沿翼弦方向可鋪設(shè)兩排太陽能電池板，整副機(jī)翼能鋪設(shè)60塊；另一架展弦比稍小、翼展為4 374毫米，沿翼弦方向可鋪設(shè)3排太陽能電池板，整副機(jī)翼能鋪設(shè)78塊。經(jīng)過試飛，后者確定為最終的機(jī)翼設(shè)計方案。

考慮到直接鋪設(shè)在機(jī)翼上表面雖然能讓電池板更好地接收光照，卻破壞了機(jī)翼翼型，降低了氣動效率，而且電池板表面易沾染灰塵并氧化，因此把太陽能電池板改為鋪設(shè)在機(jī)翼內(nèi)部，并蒙上透明度高的蒙皮。根據(jù)以往經(jīng)驗，太陽能模型飛機(jī)的機(jī)翼在飛行時會發(fā)生扭曲形變。如果把太陽能電池板與機(jī)翼硬性連接，那么電池板極易發(fā)生脆性斷裂。為此，在設(shè)計機(jī)翼結(jié)構(gòu)時，有意讓翼梁和兩片翼肋形成的方格空間略大于太陽能電池板。在鋪設(shè)時，電池板實際被安放在穿過翼肋并被拉緊的兩根凱夫拉線上，并用少量膠水將板與線粘接牢固。

在動力方面，隊員們對2011年太陽能模型飛機(jī)上使用的最大功率跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。為選配螺旋槳和電機(jī)，先進(jìn)行一系列測試（在恒定功率60瓦的情況下，分別測試靜態(tài)和空速8米/秒時動力系統(tǒng)的拉力），最終選擇了大直徑盤式電機(jī)和16×6.5螺旋槳。

因為太陽能模型飛機(jī)必須滑跑起飛，所以在滑跑階段應(yīng)具有較強(qiáng)的加速能力，以使機(jī)體盡快達(dá)到起飛速度。然而光伏動力系統(tǒng)的輸出功率有限，一旦光照不足，很可能就無法成功滑跑起飛。針對這個問題，隊員們準(zhǔn)備了兩套方案。一是傳統(tǒng)的小車助力滑跑，即將模型飛機(jī)安裝在小車上，在滑跑時由螺旋槳提供動力，當(dāng)模型滑跑到起飛速度時與小車分離。這套方案可省去起落架的重量，但在低光照度的情況下，模型飛機(jī)滑跑加速的能力較弱。另一套方案是動力輪式起落架，即在起落架上安裝動力系統(tǒng)，滑跑階段太陽能電池板的動力輸出到輪式起落架上，驅(qū)動模型飛機(jī)加速；達(dá)到起飛速度后，動力輸出切換到機(jī)頭的螺旋槳上，為飛行提供動力。采用這種方式的優(yōu)點是模型滑跑效率提高，動力輪式起落架的效率能達(dá)到90%左右，（螺旋槳提供滑跑動力的效率僅有10%-20%）。最終動力輪式起落架方案中選，起落架上裝有一個低KV值的盤式電機(jī)，電機(jī)外包裹一圈海綿用作緩沖。

賽前，航模隊在空曠的場地對太陽能模型飛機(jī)進(jìn)行了飛行測試。當(dāng)時的平均太陽光照度約45 000勒克斯，模型飛機(jī)載重400克，可輕松滑跑起飛并安全降落。然而到了比賽當(dāng)天，光照度卻只有15 000勒克斯，加上賽場跑道非常粗糙，導(dǎo)致動力輪式起落架顛簸得厲害，不能完全發(fā)揮作用。在滑跑速度較低的情況下，模型飛機(jī)需要更大的迎角才能順利起飛，但參賽機(jī)的起落架高度不夠，迎角一加大，模型飛機(jī)的機(jī)尾便會與地面發(fā)生摩擦。萬分情急之下，隊長臨時決定加高起落架，調(diào)整機(jī)翼安裝角，還削去了機(jī)尾損壞部分。在第3次復(fù)飛時，模型飛機(jī)終于成功離地升空。

2012年，西安交大航模隊沒有在這個項目上拿到名次。不過面對滑跑起飛的新挑戰(zhàn)，隊員們創(chuàng)新地設(shè)計運用了動力輪式起落架，完成了一次新的自我超越。

2013年，全新設(shè)計

2013年，比賽規(guī)則較2012年沒有明顯變化。比賽地點在浙江溫州，光照強(qiáng)烈，但因臨海的原因，海風(fēng)比較大。在2012年的比賽中，雖然沒有拿到名次，但看到了其他高校航模隊參賽機(jī)優(yōu)秀的氣動設(shè)計和動力系統(tǒng)，于是航模隊決定重新設(shè)計一架太陽能模型飛機(jī)。

2013年5月，備賽開始。與以往主要靠經(jīng)驗和簡單的氣動估算確定模型飛機(jī)參數(shù)的方式不同，這一年隊員已經(jīng)具備了氣動估算和數(shù)值仿真校驗?zāi)芰?。對太陽能模型飛機(jī)這種動力不足的飛行器來說，設(shè)計時合理的估算和建模極其重要。在選擇方案設(shè)計時，隊員們先以機(jī)翼尺寸為變量，對機(jī)翼賦予面積密度，然后通過氣動估算得到升力，再用得出的升力和機(jī)翼重量估算出阻力，并與動力進(jìn)行比較，選出最大載重比的方案。通過多次優(yōu)化計算，得到機(jī)翼的最佳設(shè)計參數(shù)。接下來對模型飛機(jī)進(jìn)行建模和數(shù)值模擬，一一校驗機(jī)翼設(shè)計方案，完成機(jī)體氣動外形的優(yōu)化。再次進(jìn)行迭代運算，最后完成模型飛機(jī)氣動外形的設(shè)計。最終得出的太陽能模型飛機(jī)的翼展為4 654毫米，機(jī)長2 700毫米，可鋪設(shè)66塊太陽能電池板。這是航模隊第一次通過數(shù)值仿真對模型的設(shè)計方案進(jìn)行校驗，不僅提高了工作效率，而且鍛煉了隊員的個人能力。

飛行器動力系統(tǒng)的設(shè)計和選配同樣非常重要。隊員們設(shè)計了一套自動化程度很高的螺旋槳測試系統(tǒng)，并編寫了測試用軟件。通過這套系統(tǒng)，設(shè)計者只需簡單操作，就能對不同的螺旋槳、電機(jī)、減速器組合進(jìn)行測試，計算出螺旋槳拉力、扭矩轉(zhuǎn)速以及電機(jī)的電壓和電流，得出效率最優(yōu)的螺旋槳參數(shù)、減速比和電池板鋪設(shè)方案。在設(shè)計過程中，隊員們將理論與實際相結(jié)合，完成了動力系統(tǒng)的優(yōu)化。不同于之前盤式電機(jī)直接驅(qū)動螺旋槳的方案，這次采用了普通電機(jī)加減速器的方法。與此同時，繼續(xù)對最大功率跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，并應(yīng)用在模型飛機(jī)上。

考慮到天氣情況對模型起飛時性能的影響，航模隊設(shè)計了兩套起飛系統(tǒng)：一套是動力輪式起落架，另一套是利用小車起飛。在陽光照度充足的情況下，優(yōu)先使用小車，以省去起落架的重量，增加模型飛機(jī)的載重比。如果陽光照度不充足，就使用動力輪式起落架，以讓模型在滑跑起飛過程中獲得良好的加速性能。

2013年8月，第1架試驗機(jī)制作完成。試飛時陽光照度約為40 000勒克斯，模型飛機(jī)順利滑跑起飛。正當(dāng)大家?guī)е矏偪粗@只“大鳥”在天空中翱翔時，模型飛機(jī)的機(jī)身突然斷裂，整機(jī)立刻墜落。等找到試驗機(jī)時，其機(jī)身已完全折斷，所幸機(jī)翼損傷不大。隊員們開始分析事故原因，認(rèn)為主要是機(jī)身的設(shè)計強(qiáng)度不足所致，制作中的小瑕疵又加重了這一問題。隨后對機(jī)身做了改進(jìn)，增加了機(jī)翼強(qiáng)度，制作時也更加認(rèn)真了。

2013年10月，到了檢驗全新設(shè)計的太陽能模型飛機(jī)性能的時候了。抵達(dá)賽場，才發(fā)現(xiàn)場地的海風(fēng)比想象中更大。而太陽能模型飛機(jī)的翼載荷很小，很容易受到風(fēng)的影響。而且比賽場地設(shè)在海邊的一個堤壩上，用于滑跑起飛的跑道很窄，條件十分不利。果然，模型飛機(jī)剛一滑跑起飛，就在離地不到1米時被風(fēng)吹到了跑道邊的欄桿上。由于機(jī)體損壞嚴(yán)重，因此又得無奈退出了比賽。

賽后隊員們都感覺遺憾。全新設(shè)計的太陽能模型飛機(jī)，還沒有經(jīng)過賽場真正的檢驗，就早早退出了比賽?？偨Y(jié)這次比賽失利的原因，主要是過大的垂直面面積導(dǎo)致模型飛機(jī)抗側(cè)風(fēng)性能很差。全隊暗下決心，改進(jìn)設(shè)計，一定要讓西安交大的太陽能模型飛機(jī)翱翔在來年賽場的藍(lán)天上。

2014年，夢圓膠州

2014年，“科研類”全國航空航天模型錦標(biāo)賽轉(zhuǎn)戰(zhàn)山東膠州，又是一個臨海城市。這一年，西安交大航模隊的參賽機(jī)基本延續(xù)了2013年的總體設(shè)計，只是稍微增大了副翼面積以獲得更好的操控性，并取消了包圍起落架的腹鰭以減小垂直面面積。設(shè)計工作很快完成，隊員們又開始了緊張的制作和試飛。

2014年8月，第1架試驗機(jī)完成。在試飛中，這架太陽能模型飛機(jī)載重滑跑起飛，并在足足飛行了15分鐘后成功降落。這次試飛讓隊員們對模型的總體設(shè)計有了信心，之后的工作集中在機(jī)身和機(jī)翼的強(qiáng)度和可靠性的提高上。

2014年9月底，航模隊來到膠州準(zhǔn)備比賽。初到膠州的幾天，天氣陰沉，之后下起了小雨，這讓大家對太陽能模型飛機(jī)項目有了些許擔(dān)心。第一天比賽時，天氣多云，天空中的云朵一直在動，陽光時有時無，光照度在60 000勒克斯和20 000勒克斯之間搖擺不定。所有參賽隊都仰望天空，仔細(xì)觀察云的位置，希望自己的參賽機(jī)能在陽光充足的時候起飛。但是老天爺又和西安交大航模隊開了一個玩笑，模型飛機(jī)剛剛上跑道，一片云就遮住了太陽，光照度立刻跌至20 000勒克斯左右。因為比賽時間僅有5分鐘，短時間內(nèi)太陽沒有出現(xiàn)，隊員們只能硬著頭皮讓模型起飛，最終起飛失敗、模型輕度損傷。第一天比賽結(jié)束后，隊員們修好了模型飛機(jī)，期盼著第二天能有個好天氣。

第二天，大家早早就起床查看天氣情況。讓人欣喜的是，當(dāng)天艷陽高照，比賽時的光照度超過了80 000勒克斯，只是風(fēng)也大了起來。隊長果斷地選擇了2千克的載重。輪到西安交大航模隊上場了，只見模型飛機(jī)在跑道上慢慢加速、拉起、平穩(wěn)起飛。負(fù)責(zé)起飛工作的隊員們激動地喊了聲“好”，但操縱手卻一點也不敢松懈。這時的場地風(fēng)速較大，且受地形影響有些區(qū)域存在下降氣流，對模型在空中平穩(wěn)飛行造成威脅。由于模型飛機(jī)的起飛速度不大，因此在側(cè)風(fēng)影響下先下降了一段高度，然后緩慢爬升，終于抵達(dá)一個相對安全的高度。操縱手的嘴角泛起了一絲自信的微笑。此時，全場運動員都在關(guān)注空中翱翔的模型飛機(jī)，其出現(xiàn)一點顛簸就會引來觀眾一陣驚呼?！拔濉⑺?、三、二、一，飛行時間已滿15分鐘，模型可以降落”，隨著裁判員一聲令下，所有隊員都激動地跳了起來。4年的磨煉，一批批航模隊員的付出，都是為了這一刻。西安交大航模隊終于拿到了太陽能模型飛機(jī)飛行賽的冠軍！

4年，是一個人的大學(xué)本科時光，也是西安交大航模隊太陽能模型飛機(jī)的沖天歷程。從最初的沒有任何設(shè)計經(jīng)驗，到最終獲得全國冠軍，太陽能模型飛機(jī)項目，既見證了西安交大航模隊的成長，也給每個隊員的大學(xué)生涯中留下了一段珍貴、美好的回憶。