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轻轻一甩手，一架比手掌略大的微型飞机绕着空旷的长、宽约为7米、高3米左右的活动室来回绕圈……这是上海新闻综合频道《夜线约见》10月22日播出的节目《飞机打印不是梦》中的画面。画面中不停旋转的微型飞机正是由同济大学航空航天与力学学院（简称“航力学院”）微小飞机实验室的沈海军教授和他的四个学生们最新研制出的。事实上，在沈海军教授来到同济大学航力学院的三年时间里，他创造了多个全国第一：第一架3D打印飞机成功试飞、第一架昆虫动力遥控飞机……
乍一看，这架利用时下流行的3D打印技术打印出来的飞机和一般的模型飞机并没有明显的不同，但留心的话，却会发现一些端倪：首先，这是一架框架式通体洁白的塑料小飞机，包括机身、机翼、尾翼、起落架和舵面全是纯白色，这有别于此前的黑色碳纤维杆微型飞机；其次，该飞机的机翼和尾翼分别为一个整体，各个部件都是胶接或棉线、胶水固接到一起的。
“用3D打印技术制作微型飞机，有两个优点，首先，能够节省60%的材料；其次，它是一体成型。”负责该课题指导的同济大学沈海军教授介绍道。而该飞机的特点可概括为两个字，“小”和“轻”。飞机翼展仅为28厘米，机身长度26厘米，起飞重量约18克，使用螺旋桨的直径为11厘米……
是什么决定了飞机的尺寸？实验室的艾合麦提江·艾力同学这样回答：“因为航力学院现有的3D打印机最大打印幅度正好是28厘米。”
由于要“一次性一体成型”，设计这架既适合3D打印又能够飞起来的飞机，并非易事。所以之前的考虑、设计和计算就显得尤为细致和重要。“将飞机的重力、拉力、升力、阻力这四者的平衡关系处理好，是设计好这架飞机的关键。”沈教授如是说。
实验室课题组的另一名同学介绍道：“在飞机初步设计阶段，我们先是根据翼展28厘米这一数据，以及实验室前期的相关微型飞机的性能指标，大致估算出待设计飞机的设计目标和参数，进而确定出飞机的总体布局和构型方案。”
进入详细设计阶段后，由四名同学分工，分别负责建模、测试分析、气动性能数据和操作控制系统。负责CAD建模的艾力同学利用AutoCAD软件在电脑上进行全机制图，并在虚拟环境中根据材料的密度和体积估算飞机的重量，他说，“3D打印对精度的要求是很严密的，我们也不知道到底确切大小是多少才能满足打印机的要求，只能来回不断尝试。”
在被问及飞机制作过程中是否有过失败品时，不论是实验室的老师还是同学，都坦言，失败太多了！“毕竟是第一次尝试，存在的问题还是很多。飞机的对称性要求很高，我们这架3D打印的飞机为18.8克，只要多1克，飞机就无法上升。”沈教授补充道，“就算是同一架飞机，稍稍一动，它的飞行能力也可能会改变。”
苍蝇动力飞机
在沈教授的微小飞机实验室里，还有许多其他有意思的作品，比如此前被网友们评价为“史上最强课程作品”的昆虫动力飞机。
“这些昆虫，经过100多万年的进化，（他们的）飞行效率相比于我们制作的一般小型飞机要高得多，现在也有许多人在研究仿生飞机的制作。我想，与其仿造，我们不如直接拿昆虫当飞机。”沈教授这样介绍自己当初产生想法的过程。
在老师的指导和点拨下，航力学院的同学们利用暑期社会实践的时间，着手进行了苍蝇动力飞机和蝉动力飞机的研究和制作。
如何测量苍蝇“引擎”的推力？为此，同学们竖起一根半米长0.6毫米粗的碳纤维杆，碳纤杆的顶端用细线黏住苍蝇；然后驱赶苍蝇，并用摄像机记录下苍蝇拉动碳杆顶端的位移；最后根据该位移值和碳纤杆的刚度估算出苍蝇的拉力。实验结果发现，苍蝇飞行中的拉力可达到0.1克，其推重比（发动机推力与飞机重量之比）惊人地高，约为2.5。“它比美国最先进的第四代战机F22的推重比还要高！”艾力同学惊喜地说。
获得了苍蝇发动机的推力数据后，接下来要做的事就是确定苍蝇飞机的构型，并计算飞机的升力、阻力。为此，同学们提出了三种方案：常规布局、三角翼和鸭式布局，并用气动软件估算了三种布局苍蝇飞机的升力和阻力。气动分析表明，三种方案均与发动机有很好的匹配性；飞行时，机翼可以获得相对较大的升力以及较小的空气阻力。
有了苍蝇引擎和飞机方案，用剪刀裁剪油封纸做出机体，并将苍蝇“引擎”和机体用0.5毫粗的超细碳纤杆胶结，一架合格的苍蝇飞机就算完成。
“我们大概抓了有200多只苍蝇吧。”由于苍蝇体积太小，很难将其固定，稍一不小心，还容易把它的翅膀弄断，更增加了实验室里同学们使用苍蝇的“成本”，李灼同学说，“苍蝇没了就得抓，基本上每天、或者隔天就得出去找一趟。”用他们的话说，经历了无数次的失败。“有的时候，飞机飞起来了，可一掉下来，它就坏了，挺心疼的。我们又得重新找、重新制作。”在那样的高温天气里，要耐下性子来重复同一件事情，着实考验耐心。
蝉动力飞机
微小飞机实验室同学们每天还要做的一件事，就是清晨在校园里捡拾前一天夜里落树的已近衰老期的蝉，制作蝉动力飞机。很多时候，沈教授也常常和同学们一起抓昆虫，还和大家开玩笑说：“我们小时候抓蝉的本领，可比现在高多了，早上五点就起来抓，现在可不行了。”
要遥控蝉，必须了解蝉的体征和构造。每天上午，研究组要对收集来的每一个活体蝉进行称重，测量翼展、身长等特征尺寸数据，甚至对一些蝉典型部位的壳下电阻率进行测量。为了准确定位蝉体内控制翅及腿部运动的肌肉，研究组还用激光切割机为蝉做了”切片手术”。
了解蝉的构造后，接下来就是手工电刺激试验。随后是蝉遥控电刺激试验，即蝉的行为遥控实验。为此，研究组的王旭和于本泽基于课题组前期的微小飞机红外三通遥控、接收设备，对其中的接收器电路进行了改造，并在其油门、升降舵、方向舵输出端各增加了一对微电极。改造后的接收器被加装在蝉的背部，三对电极分别用来刺激蝉的左、右胸以及尾部，通过遥控器的三个通道控制其电压输出，进而操纵蝉的左拐弯、右拐弯，以及启动和加速。
8月8日，课题组正式对一枚体格健壮的雌性蝉进行现场测控。实验显示，遥控器就像一只无形的手，驱赶着蝉按照操纵者的意志行进。“我一直坚持让同学们走一架飞机制造的全过程。”在沈海军教授看来，现代飞机设计与制造是一个系统工程，几乎涉及机械、电子、化工、材料等学科。作为航空相关某个特定专业的学生，整个大学学习过程中接触的专业知识其实都很窄，“只见树木，不见森林”，很难有机会站在一定高度上把握飞机设计、制造、试飞的全过程。“所以，我希望通过这样的课程作业，激发同学们的创新思维，同时也让他们更加清楚地了解飞机制造。”
“之后，我们可能会探索其他仿生飞机，比如蝴蝶、鱼形状的微型飞机。请期待吧，接下来，微小飞机实验室会有更多的惊喜！”沈海军教授自信地表示。
责任编辑：陈思
乍一看，这架利用时下流行的3D打印技术打印出来的飞机和一般的模型飞机并没有明显的不同，但留心的话，却会发现一些端倪：首先，这是一架框架式通体洁白的塑料小飞机，包括机身、机翼、尾翼、起落架和舵面全是纯白色，这有别于此前的黑色碳纤维杆微型飞机；其次，该飞机的机翼和尾翼分别为一个整体，各个部件都是胶接或棉线、胶水固接到一起的。
“用3D打印技术制作微型飞机，有两个优点，首先，能够节省60%的材料；其次，它是一体成型。”负责该课题指导的同济大学沈海军教授介绍道。而该飞机的特点可概括为两个字，“小”和“轻”。飞机翼展仅为28厘米，机身长度26厘米，起飞重量约18克，使用螺旋桨的直径为11厘米……
是什么决定了飞机的尺寸？实验室的艾合麦提江·艾力同学这样回答：“因为航力学院现有的3D打印机最大打印幅度正好是28厘米。”
由于要“一次性一体成型”，设计这架既适合3D打印又能够飞起来的飞机，并非易事。所以之前的考虑、设计和计算就显得尤为细致和重要。“将飞机的重力、拉力、升力、阻力这四者的平衡关系处理好，是设计好这架飞机的关键。”沈教授如是说。
实验室课题组的另一名同学介绍道：“在飞机初步设计阶段，我们先是根据翼展28厘米这一数据，以及实验室前期的相关微型飞机的性能指标，大致估算出待设计飞机的设计目标和参数，进而确定出飞机的总体布局和构型方案。”
进入详细设计阶段后，由四名同学分工，分别负责建模、测试分析、气动性能数据和操作控制系统。负责CAD建模的艾力同学利用AutoCAD软件在电脑上进行全机制图，并在虚拟环境中根据材料的密度和体积估算飞机的重量，他说，“3D打印对精度的要求是很严密的，我们也不知道到底确切大小是多少才能满足打印机的要求，只能来回不断尝试。”
在被问及飞机制作过程中是否有过失败品时，不论是实验室的老师还是同学，都坦言，失败太多了！“毕竟是第一次尝试，存在的问题还是很多。飞机的对称性要求很高，我们这架3D打印的飞机为18.8克，只要多1克，飞机就无法上升。”沈教授补充道，“就算是同一架飞机，稍稍一动，它的飞行能力也可能会改变。”
苍蝇动力飞机
在沈教授的微小飞机实验室里，还有许多其他有意思的作品，比如此前被网友们评价为“史上最强课程作品”的昆虫动力飞机。
“这些昆虫，经过100多万年的进化，（他们的）飞行效率相比于我们制作的一般小型飞机要高得多，现在也有许多人在研究仿生飞机的制作。我想，与其仿造，我们不如直接拿昆虫当飞机。”沈教授这样介绍自己当初产生想法的过程。
在老师的指导和点拨下，航力学院的同学们利用暑期社会实践的时间，着手进行了苍蝇动力飞机和蝉动力飞机的研究和制作。
如何测量苍蝇“引擎”的推力？为此，同学们竖起一根半米长0.6毫米粗的碳纤维杆，碳纤杆的顶端用细线黏住苍蝇；然后驱赶苍蝇，并用摄像机记录下苍蝇拉动碳杆顶端的位移；最后根据该位移值和碳纤杆的刚度估算出苍蝇的拉力。实验结果发现，苍蝇飞行中的拉力可达到0.1克，其推重比（发动机推力与飞机重量之比）惊人地高，约为2.5。“它比美国最先进的第四代战机F22的推重比还要高！”艾力同学惊喜地说。
获得了苍蝇发动机的推力数据后，接下来要做的事就是确定苍蝇飞机的构型，并计算飞机的升力、阻力。为此，同学们提出了三种方案：常规布局、三角翼和鸭式布局，并用气动软件估算了三种布局苍蝇飞机的升力和阻力。气动分析表明，三种方案均与发动机有很好的匹配性；飞行时，机翼可以获得相对较大的升力以及较小的空气阻力。
有了苍蝇引擎和飞机方案，用剪刀裁剪油封纸做出机体，并将苍蝇“引擎”和机体用0.5毫粗的超细碳纤杆胶结，一架合格的苍蝇飞机就算完成。
“我们大概抓了有200多只苍蝇吧。”由于苍蝇体积太小，很难将其固定，稍一不小心，还容易把它的翅膀弄断，更增加了实验室里同学们使用苍蝇的“成本”，李灼同学说，“苍蝇没了就得抓，基本上每天、或者隔天就得出去找一趟。”用他们的话说，经历了无数次的失败。“有的时候，飞机飞起来了，可一掉下来，它就坏了，挺心疼的。我们又得重新找、重新制作。”在那样的高温天气里，要耐下性子来重复同一件事情，着实考验耐心。
蝉动力飞机
微小飞机实验室同学们每天还要做的一件事，就是清晨在校园里捡拾前一天夜里落树的已近衰老期的蝉，制作蝉动力飞机。很多时候，沈教授也常常和同学们一起抓昆虫，还和大家开玩笑说：“我们小时候抓蝉的本领，可比现在高多了，早上五点就起来抓，现在可不行了。”
要遥控蝉，必须了解蝉的体征和构造。每天上午，研究组要对收集来的每一个活体蝉进行称重，测量翼展、身长等特征尺寸数据，甚至对一些蝉典型部位的壳下电阻率进行测量。为了准确定位蝉体内控制翅及腿部运动的肌肉，研究组还用激光切割机为蝉做了”切片手术”。
了解蝉的构造后，接下来就是手工电刺激试验。随后是蝉遥控电刺激试验，即蝉的行为遥控实验。为此，研究组的王旭和于本泽基于课题组前期的微小飞机红外三通遥控、接收设备，对其中的接收器电路进行了改造，并在其油门、升降舵、方向舵输出端各增加了一对微电极。改造后的接收器被加装在蝉的背部，三对电极分别用来刺激蝉的左、右胸以及尾部，通过遥控器的三个通道控制其电压输出，进而操纵蝉的左拐弯、右拐弯，以及启动和加速。
8月8日，课题组正式对一枚体格健壮的雌性蝉进行现场测控。实验显示，遥控器就像一只无形的手，驱赶着蝉按照操纵者的意志行进。“我一直坚持让同学们走一架飞机制造的全过程。”在沈海军教授看来，现代飞机设计与制造是一个系统工程，几乎涉及机械、电子、化工、材料等学科。作为航空相关某个特定专业的学生，整个大学学习过程中接触的专业知识其实都很窄，“只见树木，不见森林”，很难有机会站在一定高度上把握飞机设计、制造、试飞的全过程。“所以，我希望通过这样的课程作业，激发同学们的创新思维，同时也让他们更加清楚地了解飞机制造。”
“之后，我们可能会探索其他仿生飞机，比如蝴蝶、鱼形状的微型飞机。请期待吧，接下来，微小飞机实验室会有更多的惊喜！”沈海军教授自信地表示。
责任编辑：陈思