沈海军

2013年，世界首个3D打印微小飞机在同济大学问世；2014年，五角大楼的3D打印微型无人机项目出台……3D打印微小飞机经历着不平凡的发展历程。由于刚起步，并且具备成本低廉、加工快速高效的特点，3D打印微小飞机有着不可估量的发展空间。

近年来，同济大学在仿生小飞机的研发、远古飞行器的探究、微小飞行器的研制、微小螺旋桨的设计与制作、3D打印“纸飞机”等微小飞机3D打印方面开展了一系列开创性的工作。本文将对这些工作一一介绍，向读者展示3D打印技术在微小飞机中的应用与无穷魅力。

          1. 3D打印在仿生微小飞行器研究中的应用

自然界中除了禽类、昆虫以外，还有许多会飞行的动物，譬如飞鱼、飞蜥蜴、蝙蝠等等。这些动物的飞行史少则几百万年，多则为上亿年。相比之下，人类的航空史仅有百十年，因此，人类要自由翱翔，还有许多地方需要向动物学习。三维打印技术的出现，为人类探究动物飞行增加了一种新的手段。

现在同济大学航空航天与力学学院（简称同济航力学院）微小飞机实验室已三维打印出飞鱼、飞鸟、蜻蜓、蝴蝶、苍蝇、蝉等，希望利用这些三维打印的动物实体，能够帮助人们揭示更多自然界中动物飞行的奥秘。

1）微型仿飞鱼滑翔机

为躲避鲨鱼等其他鱼类捕食，飞鱼经常会跃出水面，在空中滑翔。资料显示，一些飞鱼的跳跃高度可达一米多，滑翔距离甚至可以超过10米，具有极其优越的“飞行”性能。

2014年，借助三维打印技术，同济大学沈海军教授团队针对飞鱼开展了计算机建模、风洞试验、动力测试、飞鱼飞机制作等一系列仿生研究工作，并成功试飞了一架飞鱼仿生微型电动自由飞滑翔机。

针对飞鱼的几何外形，该团队进行几何实体建模后，通过三维打印机直接打印出了两种飞鱼的三维模型实体；然后，将该三维飞鱼模型实体放置风洞中进行吹风试验获得了飞鱼滑翔中的空气动力学特性数据。

直接将动物三维打印出来，并进行风洞试验，这在国内外尚无先例。风洞试验结果显示，在很大迎角范围内，飞鱼的升阻比(升力和阻力的比值)都能够维持在5-6之间，这是普通室内微小飞机升阻比的上限。这说明两种飞鱼均具有极佳的气动性能。最终，飞鱼仿生微型电动滑翔机的总重量仅为4.6克，测试结果显示，该动力系统可产生3克的拉力，满足电动自由飞飞机的拉力、升力要求。

2） 3D打印微型“飞鸟”（扑翼机）

在2014年上海市“创造杯”大赛中，由同济大学航力学院团队参赛的3D打印微型“飞鸟”（扑翼机）项目荣获二等奖。

赛场里，3D打印“飞鸟”的展台吸引了许多人的注意力。项目成员顾雪瑞同学手持3D打印“飞鸟”，向过往的老师与同学们介绍着“飞鸟”的工作机制和原理。“飞鸟”不断地扑打着翅膀，获得了同学老师们极大的兴趣，他们不断提出各种各样的问题。据悉，此款3D打印电动遥控微型扑翼机在国内尚属首例。

该飞机的最大创新点在于利用仿生学，模仿昆虫与鸟类扑翼的飞行方式；“飞鸟”骨架模仿燕子外形，利用3D打印技术，主体一体成型，兼顾力学与美学。“飞鸟”采用扑膜技术，薄膜厚度仅为0.1mm，模拟昆虫质轻而薄的翅膀。3D打印“飞鸟”总重量20g， 翼展和身长均为500px；采用一颗微型直流有刷电机减速组驱动，由一枚150mah、3.7V的锂电池供电。“飞鸟”的尾部下方安装有一枚微型电磁舵机，电磁舵机重量仅为0.2g，直径4mm。“飞鸟”身体下方安装有微型接收机，接收操作人员的地面遥控指令。

为了研制该3D打印扑翼‘飞鸟’，同济大学航力学院的工作人员在前人模型基础上优化，结合先前的微小飞机动力系统，先在电脑上进行了构思和CAD建模；‘飞鸟’的CAD模型完成后，接着在3D激光烧结工业打印机上打印‘飞鸟’的骨架，打印材质为尼龙塑料；打印完后，给飞机安装上微型接收机、电机、电池和舵机，并在翅膀、尾翼上铺上薄膜，一架3D打印扑翼飞机就设计成功。

目前，该3D打印“飞鸟”已经进行了试飞。初步试飞表明，该飞机已经可以扑打着翅膀，做数米范围内的拐弯飞行。

3）3D打印机器蜻蜓

蜻蜓具有极其出色的飞行性能，能忽上忽下、忽快忽慢、空中悬停,甚至做一百八十度的急转弯飞行, 让多数鸟类望尘莫及，故有“飞行之王”的美誉。近来，针对一种常见的蜻蜓---碧伟蜓，借助3D打印技术，同济大学研究沈海军教授团队开展了计算机建模、风洞试验、蜻蜓扑翼机制作等一系列仿生研究工作，并于本月初成功研制了一架仿生微型电动遥控机器“蜻蜓”，同时进行了初步试飞。

参照碧伟蜓的特征，研究人员简化了蜻蜓的翅膀、翅脉、头部、足部、胸部以及腰身部。他们结合扑翼飞机特点，设计并绘制出了相应的仿蜻蜓飞机的机翼、机身、起落架、发动机架等部件CAD模型；其中，蜻蜓的尾端被巧妙地设计成了飞机的方向舵。有了CAD模型，将其转化为STL文件格式，便可依次在3D打印机中打印出仿蜻蜓飞机的头部、翅膀、足以及身体等扑翼机部件。

给蜻蜓扑翼机选配动力和电子装备非常重要。根据以往的经验，研究人员精心挑选了7mm直径的有刷电机和相应的减速组作为动力，3.7伏特的的锂电池作为能源；发射/接收装备选择红外二通控制。其中，一个通道控制蜻蜓机翼的扑打频率，即飞行高度与速度，另一通道控制蜻蜓的航向。蜻蜓的方向舵选用自制的4mm线圈直径的微型电磁舵机。

将上述3D打印的“蜻蜓”部件、动力和电子装备组装起来，并在”蜻蜓”翅脉上铺设0.1mm的聚乙烯塑料薄膜，一个遥控的机器“蜻蜓”便基本完成。完成后的机器“蜻蜓”总重15克，翼展375px，身长400px。在加电和遥控下，蜻蜓的一对翅膀交互拍打，产升力和拉力；尾部的电磁舵可左右自如偏转，控制蜻蜓的航向。

为了确保动力系统与气动性能相匹配，加装了动力系统的3D打印机器“蜻蜓”在同济大学微小飞机实验室的风洞中进行了吹风实验。测试结果显示，该动力系统可产生十余克的升力和拉力，满足“蜻蜓”飞行的动力要求。这里，值得一提的是，本次实验所使用的风洞很特别，是不久前该实验室1:1成功复原的100余年前莱特兄弟所使用的风洞。该风洞原来的升力/阻力机械天平目前已被改造成了精度更高的电子天平。  

2.3D打印在远古飞行器探索中的的应用 

1）“复活”1500年前的古玛雅“黄金飞机”

1500年前，中美地区曾出现过一段古代的人类文明，史称“古玛雅文明”。几百年后，古玛雅人从地球上神秘消失，留下了大量至今无法解释的谜团。近年来，考古学家在古玛雅遗址中发掘出了一些当时王族使用的神奇黄金垂饰，外形酷似飞机，这些遗物长约150mm，宽约125mm，令人惊奇的是，这些“古玛雅黄金飞机”机头、主翼、机身、尾翼等一应俱全，形态符合航空力学理论。近来，同济大学沈海军团队对该古玛雅飞机中的一款机型进行了复原。

2015年4月23日，这架复制的“1500年前古玛雅飞行器”在上海国际赛车场上空成功完成了试飞。在数分钟的飞行中，这架飞机还做出了俯冲、侧飞等高难度动作，展示了古代玛雅文明的神奇魅力。

在复活该黄金飞机的过程中，研究人员先对这些古代飞机进行CAD三维建模，并用3D打印机打印出物品的1:1实体模型。然后，采用气动软件分析了该古代飞机的气动特性。紧接着，对飞机的骨架等内部结构进行设计，在电脑中采用切片法设计出了飞机。最后经组装，制作出了一架1:10的放大版古玛雅飞机。复原后的古玛雅飞机身披金黄色蒙皮，翼展1.5米，双三角翼布局，升力体设计，地面遥控，形态惟妙惟肖;飞机选用14.8V的锂电池组供电，大功率无刷电机动力，配15.6的双叶木质螺旋桨。

气动性能分析显示，这架古代飞机具有非常出色的气动性能和稳定性。“‘唤醒’沉睡了1500年的古代飞行器，并让其飞上蓝天，本身就是一项激动人心的事。开展这项工作的目的旨在追溯人类飞行器的真正起源，向人们展示古代人类文明的神奇魅力，并从中得到飞机设计的灵感和启示。

2）古埃及木鸟滑翔机

1898年,人们在一座4000多年前的埃及古墓中,发现了一个与现代飞机极为相似的模型。这个模型的材质为当时埃及当地盛产的无花果树木, 约重31克。因当时人们还没有飞机这个概念,便把它念为"木鸟模型",这个模型目前存放在开罗古物博物馆。

直到1969年,考古学家进入这个博物馆的古代遗物仓库,发现了许多飞鸟一样的模型.这些模型中部分除了头有些像鸟外,其他部分都跟现在的单翼飞机极其相似：有一对平展的翅膀,一个流线型的机体,还有垂直尾翼,同时垂尾上方还有水平尾翼脱落的痕迹……

基于以上特征，航空学家推测，这很可能是当时古埃及贵族的一种滑翔机玩具，类似于我们今天的纸飞机。

近来，同济大学沈海军团队对其中的一款古埃及木鸟滑翔机进行了CAD建模，并1:13D打印出了该滑翔机的实物模型。进而，研究人员将该3D打印木鸟至于风洞中进行试验。值得一提的是，最近，该团队还用轻木制作了一个1:1的古埃及木鸟弹射微小滑翔机，并进行了弹射试飞。

初步的吹风试验及试飞试验表明，该古埃及木鸟具有良好的滑翔性能。

3）古印度维曼拿斯飞行器

3000年前的古印度有一位圣人，叫玛赫西（MaharishiBharadwaj）。他曾用梵文写过一本 “航空航天”技术方面的一部著作。该古老的著作数年前已经被翻译为英文，书名为《Vymaanika-Shaastra》。目前，该著作再次被同济大学沈海军团队翻译成中文版。

在该书籍中，曾详尽描写了一类被称作维曼拿斯（Vimanas）的飞行器。内容甚至涉及维曼拿斯的构造、用途、动力、操纵等，甚至还包含了一些维曼拿斯的结构图纸。

最近，在探究古印度维曼拿斯飞行器的过程中，同济大学沈海军团队对其中的一款进行了三维电脑建模，并3D打印出了该维曼拿斯的模型。

                           3.同济大学的3D打印微小飞机 

轻轻一甩手，一架乒乓球拍大小的微型飞机即刻从指间飞出，并在眼前悠闲地盘旋、飞舞……2013年10月19日，同济大学一方草坪上，沈海军团队的几名师生在放飞一架他们最新研制的微型飞机。该飞机乍看没什么不同，稍留心却会发现一些端倪：这架塑料小飞机机身、机翼、尾翼、起落架和舵面全是纯白色，而不是平时实验室制作的黑色碳纤维杆微型飞机；飞机的机翼和尾翼分别为一个整体，找不到胶接固的痕迹。原来，这是一架采用了3D打印技术制造的新飞机。

设计一架既适合三维打印又能够飞起来的飞机，并非易事，需要缜密的考量，飞机要足够轻并兼顾三维打印工艺的特点。比如，同济大学航力学院现有三维打印机的最大打印幅度为28厘米，微型飞机的翼展指定参数只能在28厘米。同济师生们据此大致估算出小飞机的起飞重量、高度、发动机拉力、电磁舵机驱动力矩等设计目标和参数，进而确定出飞机的总体布局和构型方案。详细设计阶段，需要利用AutoCAD软件、美国航空航天局的气动软件Tunnel等在虚拟环境中制机、测试、评估。经过一轮缜密设计过程后，微型飞机终于定型，CAD电子图纸被转换为三维打印机识别的STL格式。

此次三维打印的微型飞机为固定翼，红外遥控，遥控范围20米左右，适于室内飞行，可平放于掌心。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。飞机的方向舵驱动采用自行研制的微型小电磁舵机；舵机的磁芯为圆柱形的钕铁硼强力小磁铁，柱状磁铁的直径仅为3毫米，舵机线圈内径为4毫米；单个舵机总量仅为0.3g克。飞机动力为重量3克的3.7伏可充电的小锂电池；发动机使用6毫米直径的有刷小电机，通过减速齿轮减速后可为飞机提供约15克的拉力。

同济大学三维打印微型飞机成功试飞，当时在国内外尚属首例，它展示了3D打印技术在微小飞机设计与制造领域上应用的可行性。 

                                4.3D打印在其他相关研究中的应用

1）3D打印螺旋桨

选定的螺旋桨是否与微电机匹配，是否与飞机机体匹配，直接关系到微小飞机研制的成败。而3D打印技术则使得螺旋桨特别是塑料螺旋桨的设计、制造变得给为高效和快捷。

凭借前期的微小飞机设计经验，最近同济大学沈海军团队已经在3D打印微小螺旋桨设计与制造方面开始了新的尝试。他们设计并用熔融成形的3D打印机打印出了若干PLA材质的微小螺旋桨；然后，在3D打印的微动力测试平台上对该螺旋桨进行了测试，得到螺旋桨拉力、转速等性能参数，最后与常规的塑料螺旋桨及木质螺旋桨进行对比。

实验结果显示，3D打印的微小螺旋桨和常规的塑料及木质螺旋桨有着同等的拉力性能。

2）3D打印自由飞“纸”飞机

2014年6月4日，一架长3米、翼展3米左右，重达2.5千克的纸飞机在同济大学南校区升空。这是世界上最大的遥控电动纸飞机，它在天上不仅能升降自如，还能做翻滚动作。俯视这架飞机，整个机翼为一个大三角，机翼后缘的两个操纵面被设置为副翼和升降面混控，这是用来操纵飞机横滚和升降的。

该大型纸飞机曾在社会上产生了一定的影响，制作者为同济大学微小飞行器实验室的研究团队。不过，人们所不知道的是，该大型纸飞机制作过程中，该团队还设计、制作过一个巴掌大的3D打印自由飞“纸”飞机。该3d打印飞机由一枚超级电容供电，一套微小电机/螺旋桨提供动力。经优化设计和打印后，该纸飞机可以飞行自如。