2016“科研類(lèi)”比賽你準(zhǔn)備好了嗎？

劉明罡

每年金秋時(shí)節(jié)，“科研類(lèi)”全國(guó)航空航天模型錦標(biāo)賽都會(huì)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(jì)、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(jìng)賽中磨礪成長(zhǎng)，并在畢業(yè)后成為國(guó)家科技建設(shè)隊(duì)伍中的生力軍和優(yōu)秀人才，其中不少已是國(guó)家高精尖科研項(xiàng)目的業(yè)務(wù)骨干。

2016年中國(guó)國(guó)際飛行器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽暨“科研類(lèi)”全國(guó)航空航天模型錦標(biāo)賽預(yù)計(jì)10月在江蘇鎮(zhèn)江舉行，共設(shè)有“太陽(yáng)能遙控模型飛機(jī)”、“3ka限時(shí)載運(yùn)空投”、“1kg限距載運(yùn)空投”、“對(duì)地偵察”、“直升機(jī)模擬搜救”、“垂直起降載運(yùn)”、“嫦娥奔月”、“電動(dòng)模型滑翔機(jī)”8個(gè)競(jìng)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(xiàng)目名稱都沒(méi)有變化，也沒(méi)有新項(xiàng)目增加，只是在細(xì)則方面有一些差異。多年來(lái)，筆者都參與了這項(xiàng)賽事的籌備和裁判工作，下面結(jié)合2015年比賽中的部分項(xiàng)目，提出一些在技術(shù)、專(zhuān)業(yè)方面的看法和建議，以為各參賽隊(duì)備戰(zhàn)2016年的比賽提供一些參考。

2015年是“科研類(lèi)”全國(guó)航空航天模型錦標(biāo)賽轉(zhuǎn)型中國(guó)國(guó)際飛行器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽的第二年，大賽共設(shè)立了8個(gè)競(jìng)賽單元和科研創(chuàng)新環(huán)節(jié)，吸引了來(lái)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(duì)地偵察”

“對(duì)地偵察”于2013年首次設(shè)項(xiàng)，當(dāng)年就吸引了31所高校、50多組選手參賽。它是“科研類(lèi)”賽事中發(fā)展非常迅速、比賽規(guī)則不斷改進(jìn)的項(xiàng)目之一，技術(shù)含量高、涉及學(xué)科多。2015年該項(xiàng)目的競(jìng)爭(zhēng)人數(shù)最多，共有126組、近500名學(xué)生報(bào)名參賽。

“對(duì)地偵察”是大賽技術(shù)委員會(huì)受單兵航測(cè)偵察任務(wù)啟發(fā)而設(shè)立的比賽項(xiàng)目。參賽者以4人為一組，將所有航測(cè)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(gè)靶標(biāo)信息（圖3）；小組中的偵察員需在規(guī)定時(shí)間內(nèi)安全返回并向裁判員報(bào)出獲得的靶標(biāo)信息；偵察數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、用時(shí)短者獲勝。

“對(duì)地偵察”看似容易，但做起來(lái)很難。要完成項(xiàng)目中設(shè)計(jì)的任務(wù)，運(yùn)動(dòng)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(cè)設(shè)備裝入長(zhǎng)寬高總和不超過(guò)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(guò)小，會(huì)導(dǎo)致模型總升力不足、飛行性能不佳，無(wú)法搭載必要的航測(cè)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(huì)增加其結(jié)構(gòu)復(fù)雜度，給運(yùn)動(dòng)員設(shè)計(jì)和制作模型帶來(lái)了挑戰(zhàn)。偵察數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、用時(shí)最短的小組才能獲得最終的勝利，要求運(yùn)動(dòng)員在最短的時(shí)間里，以最快的速度完成“對(duì)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?wèn)題都直接影響到成績(jī)。

雖然2015年競(jìng)賽規(guī)則設(shè)置的難度有所增加，但參賽選手的成績(jī)總體仍有提高，且出現(xiàn)了11個(gè)航測(cè)偵察滿分的參賽組。據(jù)悉，2016年“對(duì)地偵察”項(xiàng)目中將增加定點(diǎn)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(xiàng)目，也是“科研類(lèi)”賽事中唯一的航天類(lèi)競(jìng)賽單元?！版隙鸨荚隆表?xiàng)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(gè)生雞蛋完好無(wú)損地帶回地面。從2014年開(kāi)始，改為返回艙著陸后自行釋放一輛“月球車(chē)”，且“月球車(chē)”在遙控操縱下到達(dá)指定地點(diǎn)，進(jìn)一步提高了技術(shù)要求。

2015年，該項(xiàng)目的參賽隊(duì)伍由之前的幾十組陡增至107組。各參賽隊(duì)設(shè)計(jì)制作的模型火箭五花八門(mén)（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(zhǎng)的模型火箭，或是“返回艙”較大、采用20余枚C級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的大型模型火箭（圖5）。綜觀比賽情況，來(lái)自設(shè)有航天相關(guān)學(xué)科院校的參賽隊(duì)優(yōu)勢(shì)明顯，理論知識(shí)對(duì)飛行實(shí)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(huì)在制訂2016年規(guī)則時(shí)擬對(duì)模型火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)大小進(jìn)行限定，重點(diǎn)考察參賽者的飛行器設(shè)計(jì)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(lèi)”賽事中難度最高的項(xiàng)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(bào)名參賽。

根據(jù)“直升機(jī)模擬搜救”的項(xiàng)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(duì)員默契配合，將模型上搭載的攝像頭拍攝到的圖像及時(shí)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(diǎn)，等待搭檔通過(guò)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(wú)一支隊(duì)伍在規(guī)定時(shí)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(dòng)性很強(qiáng)，因此該項(xiàng)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(tái)。而要想得分，任務(wù)球抓取裝置的設(shè)計(jì)也非常重要（圖7-圖11）。為培養(yǎng)參賽學(xué)生在編程計(jì)算、機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制等方面的能力，修訂后的2016規(guī)則將考察的重點(diǎn)放在了模型直升機(jī)搭載的機(jī)構(gòu)是否具備自動(dòng)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(lèi)”賽事中最引人注目的項(xiàng)目，原因是其規(guī)則進(jìn)行了“大換血”，僅規(guī)定了模型的動(dòng)力電池不得大于80克。因?yàn)橐?guī)則對(duì)模型的限定很少，所以選手們發(fā)揮的空間非常大。有的隊(duì)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(duì)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新布局模型飛機(jī)不僅飛行速度快，而且飛行動(dòng)作精準(zhǔn)，給現(xiàn)場(chǎng)觀眾留下了深刻的印象。河北科大隊(duì)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(xiàng)目中用到的飛行器均是原創(chuàng)，需要參賽小組對(duì)其進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在動(dòng)力一定的前提下，要想在規(guī)定時(shí)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(dòng)力效率最高，這就需要設(shè)計(jì)者按照飛行原理，模擬出模型飛機(jī)的布局形式。在設(shè)計(jì)制作后，模型飛機(jī)還需接受飛行實(shí)踐的檢驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)再次進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化。

據(jù)悉，2016年項(xiàng)目規(guī)則變化的重點(diǎn)是突出賽事的科技含量。而回顧201 5年“科研類(lèi)”全國(guó)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(lèi)”賽事制勝的關(guān)鍵（圖16-圖18）。