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走进古印度维曼拿飞行器系列（16）（原创.科普）
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RUKMA维曼拿3D打印模型设计与制作
黄阅言 杨思娴 田甜 沈海军
第一章 绪论
在古印度的传说中有这样一款飞行器，叫做维曼拿（Vimana），它最早被记录在印度南部一座坍塌的古庙宇里发现的古梵语手稿《Vaimānika Shāstra》中，相传作者是3000年前的印度圣贤玛赫西。事实上，关于维曼拿，还有众多古籍有所记载，包括印度古籍《吠陀经》、梵文史诗《摩诃婆罗》等。我们知道，印度的历史情况十分复杂，一代伟人马克思就评价印度：“印度根本就没有历史，至少是没有为人所知的历史，印度的历史只是一个个侵略者们的历史。”这种历史环境也造成了印度历史鲜有官方记载，而我们从中窥探到的古印度更像是一个充满光怪陆离故事的神话世界。而玛赫西的手稿内容之详实，给我们带来了许多关于古印度飞行器的信息。
手稿中，不仅描述了古印度维曼拿飞行器的建造、飞行员的培训及其服装、飞行环境等，甚至还包含了维曼拿的机械结构、材料组成、以及一系列防雷击、隐身、抗阵风、远程监控、主动伪装和攻击武器等内容。维曼拿飞行器的设计十分复杂，各种机械和零部件组成了一个有机的整体，复杂的机械结构中包含了及其复杂的力学知识，即使不是当时能制作出来的高科技产品，也足以体现古代印度人民高超的智慧和想象能力。
玛赫西的古梵文手稿最后一章节详细介绍了4种维曼拿：SHAKUNA VIMANA、SUNDARA VIMAANA、RUKMA VIMAANA、TRIPURA VIMAANA，本报告是根据其一RUKMA VIMAANA进行的设计改良，完成制作了一个2022版RUKMA VIMAANA模型。该维曼拿采用垂直动力模式，在四周也布有螺旋桨进行水平方向上的机动调节。
RUKMA VIMAANA
第二章 模型设计
2022版RUKMA VIMAANA模型的主体和少量零部件将通过3D打印技术生成，因此首先利用CATIA建立主体的几何实体模型，其余零部件则借助胶水粘接。
2.1 3D打印
3D打印/增材制造是一种以CAD模型为基础，逐层生成三维物理模型的制造方法，广泛应用于聚合物基复合材料的制造过程中。已经有一些3D打印技术趋于成熟，如熔融沉积成型（FDM）、立体光固化成型技术（SLA）、选择性激光烧结（SLS）、粉末液体3D打印技术（3DP）。
（a）FDM（b）3DP（c）SLA（d）SLS 示意图
综合对比多种成型技术后，本报告中的模型主体和少量部件将采用FDM制造，打印设备型号为INFINITY X1和INFINITY X3。FDM是目前应用较为广泛的的增材制造技术，细丝状的原料在打印头中熔融，经过喷嘴挤压按照切片后的路径沉积在打印热床上，冷却后固化成型。打印成品由三维模型和软件自动生成的支撑结构组成，需采用手工切除或溶解的方式去除支撑结构，专用的切片软件在减少支撑构建时间、优化打印路径、改善零件力学性能等方面发挥了重要作用。FDM系统关键组成部分包括送料机构、打印头、打印床、机架等，关键工艺参数有打印层厚、打印温度、打印速率、热床温度、进给速率等，通过改变工艺参数，可以实现对构件质量的控制。FDM具有成本低、成型速度快和操作简便等技术优势，另外，通过安装多个喷嘴和不同的原材料，FDM技术具备同时打印不同材料的优点。
INFINITY X1 INFINITY X3
模型选用的材料为可降解的聚乳酸（PLA），是一种新型绿色环保材料。与传统材料相比，PLA具有良好的力学性能、物理性能、生物相容性和降解性能，更重要的是突出的光学透明性使其能够使用各种传统聚合物加工设备进行加工，因此，PLA有望成为传统石油基材料在日用品、包装和纤维等领域的有力替代品。
2.2 计算机模型
CATIA实体模型为飞行器的主体部分，外壳为圆柱-圆锥组合体，为方便观察模型内部结构和功能分区，特将1/4圆锥处剖开。从实体图中可以辨认出，飞行器顶部的球状部分为驾驶室，内部依靠一中心立柱支撑内部结构，上圆盘为豪华客舱，下圆盘为经济客舱，经济客舱下方为技术功能仓，飞行器底部则主要用于布置动力系统。
模型主体的CATIA实体模型图
2.3 设计图纸
2022版RUKMA VIMAANA模型的主体尺寸和形状可见设计图纸。
模型主体的设计图纸
第三章 模型制作
3.1 制作过程
飞行器的圆锥-圆柱外壳、驾驶舱外壳、内部中心支柱及少量零部件均通过FDM制造生成，强度可靠、精度准确、配色简洁大方。剩余的内部构造零件则通过胶水粘接在主体上。
打印中的外壳、底座、驾驶舱和零部件
打印完成的底座和零部件
飞行器成品实物图
3.2 功能分区
模型底部外径约220mm、整体高度约250mm，顶部为驾驶室，根据内部各层功能不同，可从上到下依次分为豪华客舱、经济客舱、技术功能仓，底部分布动力系统。为了全方位展示飞行器内部的结构细节和多样功能，除在外壳的1/4圆锥处剖开，内部各层还可灵活转动，更好地展示局部细节。
3.2.1 驾驶室
驾驶室
驾驶室位于飞行器顶端，其外壳透明，周围无物体遮挡，能够最大程度地保证驾驶员视野开阔。中心天线能够全方位接收信号，保障驾驶员与其他飞行器和底面控制顺畅沟通。
3.2.2 豪华客舱
豪华客舱
豪华客舱环境舒适、活动空间大，内设有沙发雅座可供乘客闲坐休息，会议圆桌军民两用，既可用于乘客商务会议和交流讨论，也可在作战时摆放军事地图和地形模型。另外考虑到乘客的休息需求，还在豪华客舱内放置了两个休息舱，乘客可卧床休息，若在战时也能临时用于安置重伤的伤员和进行医疗手术。
3.2.3 经济客舱
经济客舱
经济客舱位于技术功能仓上方，为了避免底部机器振动和噪音干扰，特别设计经济客舱的地板使用吸声隔音的多孔蜂窝材质。由于经济客舱面积较豪华客舱更大、人数也更多，因此此层的桌椅较为密集，有四张小圆桌用于茶歇，另设一张大圆桌，供乘客宴会聚餐，座椅均为靠背椅。另外还有两个购物吧台，方便乘客购买饮料食物、纸巾等基本生活物品。经济客舱也能在战时转运居民时提供充分的空间。
3.2.4 技术功能仓
技术功能仓
最底层的技术功能仓最为开阔，主要是放置电机等大型机电设备、乘客行李物品和技术工作人员的工作区域，也是战时运输物资的主要存放场所。
3.2.5 动力系统
动力系统-方向螺旋桨
动力系统-起降螺旋
在飞行器底部的外侧一周均衡分布着6个方向螺旋桨，通过控制不同位置的螺旋桨运转状态，能实现飞行器水平方向的灵活转向。底部下侧同样设计了6个起降螺旋桨，主要用来提供飞行器起飞、下降的垂直动力。
3.2.6 中心一体多功能支柱
中心支柱
贯穿整体的中心支柱连内设置了传导系统，能很好地将驾驶室的操作信号传递到飞行器底部，控制方向螺旋桨和起降螺旋桨的运转。连接了顶部驾驶室、内部豪华客舱、经济客舱和底部的技术功能仓的中心支柱不仅作为结构支撑和信号传导通路，其内部也设有中央空调系统，能够很好地调节各区域的气压和温湿度，保障人员处于舒适环境，同时，中心支柱的外表面覆盖了柔性的多功能电子屏，可实时播放娱乐性视频音乐，或显示当前地理位置和航线，为乘客们提供丰富信息。
第四章 总结
本报告的维曼拿模型是依照RUKMA VIMAANA进行设计的改良版，马赫西手稿中构想了一个看似可行且完备的飞行系统，但全书中从未提及飞行原理，我们对其进行了优化处理。飞行器的垂直动力由装载在飞行器底部的动力系统实现，飞行器的方向则由分布在机身的6个方向螺旋桨控制，实现水平方向上的自由前进。维曼拿各区域功能齐全：驾驶室设置在飞行器的最上方，保证了驾驶员的视野；维曼拿内部共设三层，上两层为豪华客舱和经济客舱，兼备休息、娱乐、商务等功能，最底层的技术功能仓则是放置大型机电设备、乘客行李物品和技术工作人员的工作区域。
此外我们的模型制作采用先进3D打印技术中的FDM，不仅体现了机器工艺技术的先进性，成品也具备力学强度优良、尺寸精度高、外观美观大方的特点，在材料选用上，绿色可降解的PLA树脂材料也强调了可持续发展绿色理念，响应国家低碳环保的全民号召。
沈海军：《走近古印度飞行器维曼拿》系列（十一）（科普.原创）
沈海军：走近古度飞行器维曼拿系列(一) （科普-原创）
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