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美国东部时间2012年4月27日,北京航空航天大学代表队参加了在美国亚特兰大市举办的SAE国际航空设计大赛(SAEAeroDesignCompetition),与来自美国、加拿大、波兰等国家的代表队展开激烈角逐,最终获得了高级组冠军.一举夺冠的北航代表队成为了全场瞩目的焦点,中国大学生表现出的优良学科素养和谦逊品质赢得各国师生的称赞.

初识SAE欲试牛刀

自1986年起,美国自动化工程师协会(SocietyofAutomotiveEngineers,简称SAE)开始举办一项专门为航空工程领域的大学生设立的比赛——航空设计大赛(AeroDesignCompetition).它每两年举办一届,由洛克希德·马丁公司等赞助和承办,各地航模俱乐部加盟并提供比赛场地.

该赛事类似于我国2004~2006年科研类航空航天模型锦标赛中的油动模型飞机载重比赛.它要求参赛者在设定的条件下,以最大载重量为目标,设计、制作并操纵遥控模型飞机飞行.由于比赛设定的条件和目标都来自于飞机设计中遇到的实际问题,因此参赛者有机会接触真实的航空工程活动,使理论知识融入实践,并从实践中再学习,培养创新能力.

SAE国际航空设计大赛发展至今,规模和影响不断壮大,逐渐成为一个锻炼航空专业背景大学生综合能力的舞台,在全球范围内受到越来越多高校的重视.

2012年的比赛分微型组、普及组和高级组3个级别,共有来自不同国家和地区的75支队伍参赛.北航代表队参加的是高级组,相比其他两组,其规则更严格(图1):在全机起飞重量不超过25kg前提下,合理分配空机与载荷,以获得更高的载重分;模型飞机不但要完成一个完整的航线,而且起降距离也要纳入考核;参赛者需自行设计一套电子装置,以测量模型飞机的实际起降滑跑距离(图2),且测量精度将作为评分依据.此外,比赛还考核学生的理论水平,要求参赛队在2012年3月19日前提交一份关于参赛机设计的全英文报告,而且要在现场答辩.选择高级组赛事,对北航代表队是一次机遇,更是一次巨大的挑战.

齐心备战攻克重重难关

从2011年10月起,北航航模队便开始了赛事的准备工作,包括参赛者的选拔及分工、比赛规则的解读、参赛机的设计论证和制作及对外联络等.

此次比赛由王耀坤博士担任指导老师,航空科学与工程学院颜旭峰、张子旭、王川、王亚龙、田艺枫和仪器科学与光电工程学院张谦、孙利、宋晓瑞8人(图3)被选拔为参赛选手.颜旭峰为队长,除负责总体工作外,作为模型飞机的总设计师,还负责模型的气动设计.张谦为副队长,协助颜旭峰安排分工,并独自承担了DAS(模型飞机滑跑距离数据采集系统)的设计任务.田艺枫负责模型飞机刹车系统的设计和制作.王亚龙负责动力系统的调试安装及维护.孙利和宋晓瑞负责制作机体并维护,并分别承担摄影、写作、财务及后勤管理等.张子旭是此次比赛的操纵手,并负责对外联络等相关工作.王川负责在美国外场的飞行协调.

参透国际赛事的比赛规则,对参加者而言格外重要.通过对英文比赛规则的深入解读,以及尽可能搜集到的有关SAE大赛的模型飞机图片、视频和技术报告等,队员们对比赛规则有了较清晰的认识.

接下来确定时间节点:2011年10月,设计参赛样机,准备制作材料和进行静力实验;11~12月,确定模型飞机的总体设计参数并逐步细化各部分设计;2012年1月,进行起落架刹车梁静力试验;2月,开始制作第1架参赛机,并完成首飞;3月,制作第2架模型,进行第2次试飞,同时试验DAS系统和刹车系统、完成参赛机设计报告,并于月底将模型打包运往美国;4月,准备英文答辩及 赴美相关事宜.

由于赴美参赛仅有8人,正常情况下几乎不可能完成上述繁杂的工作,因此北航航模队其他队员纷纷赶来帮忙.参赛队员更是牺牲了寒假大部分与家人团聚的时间,春节刚过便匆匆回校,一头扎进准备工作中.

那段日子里,在航模队的活动基地内总有一群队员,干得热火朝天(图4),有时甚至通宵达旦.正是凭着这样一股干劲,所有工作按时完成.

由于3月2~15日北京市“两会”期间要全面禁飞,因此为了能尽早验证参赛机的气动性能,为定型打下基础,大家加班加点,熬了几个通宵后,终于在2月28日赶制完成了第1架参赛机,并在寒风中进行了试飞(图5).因为当时天气非常寒冷,发生了许多从未遇到过的问题:接收机锂电池不放电、舵机等运转不畅等大家围着飞机,焦急地想对策,没有人喊冷,也没有人躲到车内避风.最终,通过采用给接收机更换镍氢电池、使用其他型号的舵机并降低载重量等办法后,模型飞机终于受控,顺利完成首飞.

“两会”期间,在首飞的基础上,队员们又改进了设计,制作出第2架参赛机,并于3月16日(“两会”禁飞刚结束)进行了第2次飞行,全面验证了模型的载重能力、DAS测试精度、轮式刹车的效果等.接下来的3天,大家又马不停蹄地完成了2架模型飞机的检查、调试、拆装和打包工作,于3月28日按时将它们运往美国.

在准备比赛的日子里,队员们不但要进行技术攻关,还要解决其他难题:

比赛报名.由于没有国外比赛的先例,只能摸着石头过河,报名、注册和交费等环节都谨慎认真处理.因为报名参赛队伍很多,而组委会的接待能力相对有限,所以规定每届只允许75支队伍报名注册,超出的队伍则不予接纳,这要求报名既准确又迅速.经过与组委会多次邮件联系、确定了相关信息后,尽早缴纳了600美金报名费,顺利注册北京航空航天大学航模队,成为第68支报名参赛队.

邀请函.申请美国签证条件很苛刻,材料必须准备得十分充分.因此,能有一封组委会的比赛邀请函,会大大提高签证成功率.然而组委会并不提供任何形式的邀请函,参赛者只能在网上自行打印报名确认页.但我们并未放弃努力,一直向组委会及其他相关单位做工作说明困难.最终,比赛的赞助商——洛克希德·马丁公司在了解到情况后,给了北航邀请函.有了这封洛克希德·马丁公司负责人亲笔签名的邀请函,签证材料终于比较完备了.申请签证.这是一个并不好过的难关.由于8位参赛队员都没有去过美国,没有任何申请签证的经验,加之需面签,要当面回答签证官的各种问题,因此大家心里都很紧张.负责外协的张子旭查阅了大量资料,收集了面签时签证官可能问到的各种问题,并且一遍又一遍地为大家修改签证申请表.通过这样精心的准备,最终全部顺利过关.

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预订宾馆和车辆.由于组委会不提供参赛机的接收服务,因此必须预订好宾馆,委托宾馆接收模型飞机.我们通过网络查看当地的地图,对赛场及周边情况逐渐建立了地理概念.比赛设在卡明市,位于乔治亚州,是靠近亚特兰大市的一个小城市.赛场在郊区,离市中心约40分钟车程,交通还算方便.确定地理位置后,开始在网上预定宾馆.指导老师王耀坤通过业务关系找到了一位当地美籍华人丁先生,在他的帮助下,成功订到了宾馆,并且价格只有原来的一半.经过协商,宾馆前台的服务人员答应帮我们接收模型飞机,这个难题终于解决了.接下来我们又顺利租到了3辆汽车,其中一辆运送参赛机(图6),另外两辆用于队员们的交通.

飞机托运.由于参赛机翼展很长,装箱后达2.4m,属超长物品,因此不能随客机一起托运;若走海运,不但运输时间久,而且必须凑齐一个集装箱才能发走,时间上完全不能把握,很有可能耽误比赛;而DHL等国际快运公司费用极高,即使单程运费也要5~6万人民币,根本无法承受.


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最后,经多方考察,选择了一家信誉和口碑都不错的小型货运进出口公司,价格优势十分明显,运输时间也能保证.接下来报关审批,每一件托运物都被一遍又一遍地仔细检查,以确保不含海关规定的违禁物.因为一旦货物被扣押检查,就意味着15天甚至更长时间的拖延和海关工作人员粗暴的开箱检查,导致模型飞机损坏,无法参赛.经过仔细检查和沟通后,我们的模型飞机顺利通关,空运至美国,安全到达预定宾馆.整个托运过程历时16天.

远征美利坚成名SAE

北京时间2012年4月23日早晨7点,由校团委顾广耀副书记、航空科学与工程学院李广超副院长、航模队指导老师王耀坤及8名队员组成的北航参赛队,踏上了飞往美国的航班.

美国东部时间23日下午4点,代表队到达了宾馆.稍作休整后,便开始了紧张的赛前准备.大家分工行动,一些人外出采购必需品(如油料等),其他人检查跋涉万里的参赛机是否完好(图7、图8).由于模型发动机在不同环境下性能差异很大,因此24~26日在赛场对模型飞机进行了多次试飞和调试(图9),以确保万无一失.调试过程中,发动机表现出的良好性能让所有人都振奋不已,坚定了必胜的信心.

4月27日比赛正式开始.第一天主要是展示和答辩环节.北航队参赛机一进场,就吸引了大家的目光,它虽然放在角落里,但来参观的国外选手、评委及工作人员络绎不绝.合理优化的气动布局、巧妙布置的串列式双发系统、匠心独创的气动-轮式双刹车设计,使这架模型成为了全场瞩目的焦点.在稍后的答辩中,颜旭峰和张子旭在其他队员的配合下用流利的英语阐述了参赛机的设计特点(图10),给评委留下了深刻的印象,最终答辩获得了第4名.

外场飞行在28日、29日进行(图11).27日组委会宣布了场地安排,并告诉大家跑道边上有几个大帐篷组成的比赛准备区,但帐篷数量有限,早到早占.28日凌晨5点,我们便起床开始一天的比赛征程.车队从宾馆出发,首先驶入400号高速公路,一路向北.虽然时间尚早,路上车很少,但浓雾使车速不敢超过60km/h.顺利下了高速路后,驶入一条向西的乡间公路.这是段典型的山路,加之雾越来越重,车速降到了30km/h,前进异常艰难.雪上加霜的是,GPS导航仪此时又偏偏失去了信号,头车的顾广耀老师只能凭着前几日的记忆找路,最终几经周折才赶到赛场.到达后发现,同住一个宾馆的巴西队紧跟在我队身后,原来他们在路上也迷失了方向,看到了我们的车队,才紧跟而至.

到场后卸车、组装模型飞机、调试设备,一系列工作忙完后天还没亮(图12),雾气依然很重,周围一片灰蒙蒙,甚至连20米开外的几棵树都看不清.

高级组比赛开始后,北航队第一个上场,虽然降落时稍跳起,但模型起降距离很短,载重量也有一定优势,飞行十分成功,赢得了大家的掌声.但接

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979;来的两轮比赛,因为我们对场地不熟,导致飞行失败,总成绩排名有所下降.回到宾馆后,指导老师召开紧急会议,商议对策.通过分析美国、波兰、巴西、加拿大等几个强劲对手的成绩,发现我队在载重量上基本不占优势,并且较之前几届的冠军波兰队,我队模型飞机的最大允许载重量小于他们的(波兰队参赛机仅有4.5kg,我队空机重5.8kg).最后,大家根据当天暴露的问题制定了解决方案和应对突发情况的预案,并对第二天的最后2轮比赛作了详细部署.


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4月29日,在夜色朦胧中我们便来到赛场.当天天气很好,大家一扫睡意,士气高涨.这天的飞行,由于各参赛队都加大了载重量

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