2016“科研类”比赛你准备好了吗？

刘明罡

每年金秋时节，“科研类”全国航空航天模型锦标赛都会如期举行。该赛事自设立至今已成功举办了12届，主要目的是考察参赛学生设计、制作、调试和操纵模型飞机的能力。许多高校学生在竞赛中磨砺成长，并在毕业后成为国家科技建设队伍中的生力军和优秀人才，其中不少已是国家高精尖科研项目的业务骨干。

2016年中国国际飞行器设计挑战赛暨“科研类”全国航空航天模型锦标赛预计10月在江苏镇江举行，共设有“太阳能遥控模型飞机”、“3ka限时载运空投”、“1kg限距载运空投”、“对地侦察”、“直升机模拟搜救”、“垂直起降载运”、“嫦娥奔月”、“电动模型滑翔机”8个竞赛单元（图1）和科研创新环节。

相较2015年，2016年比赛的所有项目名称都没有变化，也没有新项目增加，只是在细则方面有一些差异。多年来，笔者都参与了这项赛事的筹备和裁判工作，下面结合2015年比赛中的部分项目，提出一些在技术、专业方面的看法和建议，以为各参赛队备战2016年的比赛提供一些参考。

2015年是“科研类”全国航空航天模型锦标赛转型中国国际飞行器设计挑战赛的第二年，大赛共设立了8个竞赛单元和科研创新环节，吸引了来自北京航空航天大学、浙江大学、同济大学、空军航空大学等92所高校、近2000名大学生参赛。

一、“对地侦察”

“对地侦察”于2013年首次设项，当年就吸引了31所高校、50多组选手参赛。它是“科研类”赛事中发展非常迅速、比赛规则不断改进的项目之一，技术含量高、涉及学科多。2015年该项目的竞争人数最多，共有126组、近500名学生报名参赛。

“对地侦察”是大赛技术委员会受单兵航测侦察任务启发而设立的比赛项目。参赛者以4人为一组，将所有航测设备装入限定尺寸的模型箱里，并携带它穿越障碍到达作业区域（图2）；在作业区域完成模型飞机的组装、放飞，并利用模型上的摄影、图传等设备“侦察”200米外地面天井中的5个靶标信息（图3）；小组中的侦察员需在规定时间内安全返回并向裁判员报出获得的靶标信息；侦察数据准确、用时短者获胜。

“对地侦察”看似容易，但做起来很难。要完成项目中设计的任务，运动员不仅需熟悉飞行器的飞行原理、材料力学、结构力学、电子通信技术等众多学科，还需学习模型飞机制作工艺、掌握遥控无线电模型的操纵技巧。

规则要求将所有航测设备装入长宽高总和不超过1600毫米的模型箱里，使得模型飞机的飞行性能和机载设备受限。如果翼面积过小，会导致模型总升力不足、飞行性能不佳，无法搭载必要的航测设备。而要在作业区域实现模型飞机的快速组装和放飞，又会增加其结构复杂度，给运动员设计和制作模型带来了挑战。侦察数据准确、用时最短的小组才能获得最终的胜利，要求运动员在最短的时间里，以最快的速度完成“对地侦察”任务；但模型飞得越快，侦察员就越难看清地面天井中的目标，反而不利准确侦察。此外，模型飞机的飞行控制、机载设备的视频传输等问题都直接影响到成绩。

虽然2015年竞赛规则设置的难度有所增加，但参赛选手的成绩总体仍有提高，且出现了11个航测侦察满分的参赛组。据悉，2016年“对地侦察”项目中将增加定点投放载荷科目，比赛难度进一步加大。

二、“嫦娥奔月”

“嫦娥奔月”是2009年设立的比赛项目，也是“科研类”赛事中唯一的航天类竞赛单元。“嫦娥奔月”项目在设立之初，比赛规则为模型火箭发射升空，并依靠返回舱将一个生鸡蛋完好无损地带回地面。从2014年开始，改为返回舱着陆后自行释放一辆“月球车”，且“月球车”在遥控操纵下到达指定地点，进一步提高了技术要求。

2015年，该项目的参赛队伍由之前的几十组陡增至107组。各参赛队设计制作的模型火箭五花八门（图4），既有单体水火箭、多体并联水火箭，也有爬升轨迹直线性较好、尺寸较长的模型火箭，或是“返回舱”较大、采用20余枚C级发动机的大型模型火箭（图5）。综观比赛情况，来自设有航天相关学科院校的参赛队优势明显，理论知识对飞行实践的指导作用效果显著。为了提倡创新精神、提高比赛安全性，大赛技术委员会在制订2016年规则时拟对模型火箭的发动机大小进行限定，重点考察参赛者的飞行器设计能力。

三、“直升机模拟搜救”

“直升机模拟搜救”于2007年设立，一直被视为“科研类”赛事中难度最高的项目之一（图6），历年的参赛组数量始终徘徊在二三十左右，2015年共有33组报名参赛。

根据“直升机模拟搜救”的项目规则，参赛组中的飞手不仅要操纵模型直升机做精準飞行，还要与其他队员默契配合，将模型上搭载的摄像头拍摄到的图像及时反馈，在身后助手的引导下操纵模型直升机降落在指定的地点，等待搭档通过图传视频抓取红球或彩球并配合完成精准投放，成功抓取投放目标球分值最高者获胜。而每一次红球或彩球的投放任务，都包括观察-选择目标-降落-观察-抓取目标-起飞-观察-降落-投放目标的步骤，期间小组成员的配合非常关键。至今仍无一支队伍在规定时间内成功抓取所有任务球。

由于模型直升机的机动性很强，因此该项目操纵手必须具备高超的飞行技巧，能精准、熟练地驾驭搭载有抓取装置的飞行平台。而要想得分，任务球抓取装置的设计也非常重要（图7-图11）。为培养参赛学生在编程计算、机械设计、自动化控制等方面的能力，修订后的2016规则将考察的重点放在了模型直升机搭载的机构是否具备自动抓取、投放等功能上。

四、“垂直起降载运”

“垂直起降载运”可谓2015年“科研类”赛事中最引人注目的项目，原因是其规则进行了“大换血”，仅规定了模型的动力电池不得大于80克。因为规则对模型的限定很少，所以选手们发挥的空间非常大。有的队伍采用了三旋翼、四旋翼等多旋翼布局，有的沿用了之前比赛中的冠军机型，有的用到了倾转旋翼飞行器，还有的使用了创新布局的机型（图12-图14）。

北航队设计的创新布局模型飞机不仅飞行速度快，而且飞行动作精准，给现场观众留下了深刻的印象。河北科大队的垂直起降飞行器造型奇特，却每次都能承载1000克以上的“货物”飞行（图15），令人称绝。

“垂直起降载运”项目中用到的飞行器均是原创，需要参赛小组对其进行多目标优化设计。在动力一定的前提下，要想在规定时间内运载尽可能多的“货物”，就得将“节能”放在首位。而“节能”的最佳方式，是让飞行器的动力效率最高，这就需要设计者按照飞行原理，模拟出模型飞机的布局形式。在设计制作后，模型飞机还需接受飞行实践的检验，并根据试验数据再次进行调整优化。

据悉，2016年项目规则变化的重点是突出赛事的科技含量。而回顾201 5年“科研类”全国航空航天模型锦标赛，笔者最大的感受是规则“大换血”不可怕，创新才是“科研类”赛事制胜的关键（图16-图18）。