一群平均年龄不到20岁的本科生，何以改写无人机续航时间世界纪录？
一飞冲天
本报记者 任敏
皮肤黝黑的李淼连航模都没摸过，笑起来眉眼弯弯的周岳在为选专业迷茫，戴着眼镜的付宁尚不知拧螺丝也有窍门……去年秋天，33名平均年龄不到20岁的大一大二本科生，加入了北京航空航天大学冯如书院首期科创营，在指导老师王耀坤的带领下，狂补无人机理论知识，苦练机械制造手艺。他们有一个雄心勃勃的计划，要在今年国庆节前赶制一架无人机，并冲击世界纪录。
这，可能吗？
本月初，答案揭晓！10月3日14时13分06秒，由这群本科生自行研发、生产、制造的“冯如三号”在空中连续飞行30小时6分42秒之后，创下25公斤至100公斤级油动无人机续航时间最长的世界纪录。
“冯如三号”2号机试飞，科技创新训练营成员在观察无人机航迹。
10月7日，来自国际航联的证书出炉。他们终于让中国首次进入该系列世界纪录的名单。这是北航青年学子对中国110年航空史的致敬，更是对新中国成立70周年的独特献礼。
“00后”组队苦学理论两学期
在新中国航空史上，北航人向来敢啃“硬骨头”。早在半个多世纪前，中国第一架轻型旅客机“北京一号”、第一架无人驾驶飞机“北京五号”，均是在北航师生大干百天之后，被送上蓝天。
这一次的“冯如三号”，要挑战25公斤至100公斤级油动无人机续航时间的世界纪录，必须保证升阻比足够高。因此要大幅减轻结构重量，且增加燃油比重，保证长时间飞行的可靠性，技术难度极大。此前，该项纪录多为西方国家占据,已30多年无人打破。
为此，北航冯如书院成立了科创营，一场无领导小组面试之后，33名大一大二本科生成为首批营员，并开始疯狂“补课”。
领队王耀坤老师是北航飞行器设计专业的教师，他制定了周密科学的教学计划，每周六花上三个小时，讲授无人机的概念和组成、计算设计软件、气动设计、结构设计等理论知识。营员们还去机场学习无人机的自动驾驶，并到某研究所观摩C919大飞机的静力试验。
两个学期的二十堂课之后，以一份长航时无人机设计方案为目标，营员们被分成两组答辩较量，展示学习成果。
在大家充电的同时，“冯如三号”的设计方案也在推进。今年3月，王耀坤等几位老师和学生一道定下设计方案，之后不断改进结构设计和选材。
一架无人机，上万个零部件，想顺利上天，科学的布局、严密的工艺和反复的验证必不可少，摆在学生们面前的第二个任务就是亲手制造零部件。
7月11日，8名学生作为“先遣队”，来到郑州开始学习无人机的加工与制作。
什么叫“理想很丰满，现实很骨感”？大家可算领教了：工具认不全，练手时用力过猛误伤自己，没问师傅擅自下决定导致装配错误……新手上路，问题比比皆是。
“第一周真的是太难了，什么都不知道！有时候师傅手把手地教都记不住！”双学籍飞行学员范振宇“吐槽”，造飞机比开飞机都难！
他们在这里学习了飞行控制与导航系统、航空发动机以及电机的工作原理和使用方法、光固化3D打印机体零件，以及无人机装配等新知识，摸索了各种实用工具的使用方法，并在各种打击中迅速成长。
无人机的尾撑，用碳纤维制作而成，用螺栓固定时，锋利的螺纹容易把碳纤维的侧壁磨成碳粉，导致孔径越来越大。范振宇刚开始使蛮力，“只要有一点毛病就拆拆卸卸，把螺栓拧过来拧过去，螺栓跟碳管反复摩擦，结果孔径变大了，不符合要求。”在跟工厂师傅请教之后，他摸索出了窍门：尾撑上的水平尾翼装好之后尽量不拆卸，即使拆卸也只拧螺母，把螺栓直接敲进去或者按照螺丝纹路轻轻拧进去，这样才不会松脱。
科技创新训练营成员在为“冯如三号”1号机进行飞行前检查。
负责制作钢索的李淼也开始入门了，砸紧固件的锤子不能太小，否则受力不均，力道和次数也有讲究，他边比划边回忆动作，“一般举三四十厘米高，砸三下就行了！”
两三周后，“冯如三号”0号机出炉，这是试验机，重达50公斤，主要用于验证整体布局、气动设计和操纵设计等。
8月4日，首次试飞之日。9时左右，飞机被推至跑道，一声“启动”令传来，飞机爆发出震耳的嘶吼，滑跑几秒后，顺利上天！
20多分钟之后，0号机凯旋，首飞成功。万里长征迈出第一步！
三个月更新迭代造4架飞机
首飞的航时，距离既定目标30个小时还有很大差距，为此，之后的1号到3号机，需要大刀阔斧地“动手术”。
要想飞得足够久，飞机必须减重瘦身。通过对比试验，结合重量、强度、高度等因素及静力试验结果，他们更换了机身材料：0号机采用“全玻璃纤维+碳纤维”组合，以玻璃纤维为主；1号机也是这种组合，但改为以碳纤维为主；2号和3号机更新为以“高强度的T800级碳纤维+航天级硬质泡沫构成复合材料”组成夹层，以保证强度并有效提高刚度，可使受载后结构变形减小。
其他关键部位也有调整：精心匹配出三款发动机，最终挑选了又轻又省油的一款；油路设计也有巧思，采用多个油箱串并联方案，尽可能降低油量变化对飞机重心的影响；起降系统试制了全碳纤维起落架，无需钢索，既稳固又减小了气动阻力；飞控系统则采用双天线、激光测距、差分GPS等先进技术，能够把飞行控制精度提高至厘米级，只需点击按钮，即可全自主起降。
王耀坤把学生分成几个小组，分别负责左右机翼、机身、尾撑、发动机、飞控等不同部位，队员们在细微的调整中去满足造飞机的精准要求。
悬挂在机身和机翼之间的两根2米多长的钢索，用于承受拉力，防止机翼折断。在做坏了几十条钢索、锤坏几百个紧固件之后，李淼终于能说，自己打造的钢索没问题。尾撑上碳管厚度原本是3毫米，为了减重变为1.5毫米，变细之后的碳管在试验中易变形。范振宇想到一个办法，修补了一根1米长的碳管，打了20个孔，灌上502胶水，巧解难题。就连给机身贴胶带也有技巧，胶带的切口必须从机翼下方包裹，迎风面不能有气泡，两个月下来，周岳已成为贴胶带小能手，“要先用手摁住胶带，再拿棉布推过去，有点像手机贴膜。”
为了培养科研素养，王耀坤还要求，每一个实验都要有实验报告，每一个设计都要有设计报告，每个部件都有履历表，“这样做能精准掌握飞机情况，也便于后续队员参考。”
距离国庆节越来越近，又一次试飞原定于9月30日，一个意外出现的小插曲使得起飞时间被迫延迟。
当天，飞机发动机转速异常，怎么都不着火。仔细检查发现，发动机附近测量转速的信号线因为扎带捆得太紧，线外面的金属保护套被磨损了，导致短路，火花塞没电，无法点火。线路组的成员排查异常之后，着手修补，当天的飞行计划直接取消。
“幸亏是起飞前发现了，要是再晚一天发现或者线再晚一点磨损，我们的飞机就直接报废了。”这种巧合，也让王耀坤隐隐感觉到胜利的曙光，“我当时就想，躲过这道生死劫，接下来肯定能成功！”
此后，这样的小惊险还在不断上演：
倒数第三天，由于天气变化，出现了耗油速度与之前试飞数据严重不符的情况，团队只好采取最保守的耗油率；
倒数第二天，发动机气缸温度变化较大，为了追求更好的发动机工作状态，大家紧急赶制了新舱盖；
直到飞行前一天，重要的转速传感器损坏了，又临时更换；
……
正式飞行前一天，正值祖国母亲生日。这群青年聚在一起观看了国庆阅兵仪式，天安门上空，飞机拉出的绚丽彩烟，更激发了大家的斗志。
空中翱翔30小时向祖国献礼
10月2日清晨，黑沉的夜空下，王耀坤和学生们一起来到国家体育总局安阳航空运动学校的机场，迎接终极挑战。为了确保万无一失，他们打造出两架一模一样的“双胞胎”无人机，即2号机和3号机，要让它们同时升空，同道飞行（符合国际航联的规则）。这样即便一架飞机中途出意外，另一架还可以当“替补”继续作战。
从发动机、机翼、尾翼到线缆、飞控系统，例行检查完毕之后，到了关键的起飞时间，8时6分24秒，“冯如三号”迎着晨曦起飞。
地面上早已搭建好的监控台上，4名队员严阵以待，密切监视显示器上的飞行参数。飞机飞行途中需全程监控，为此，团队排了8个班，每班6个人，每次值班4小时，须时刻保持头脑清醒。不值班时，轮休人员就到机库水泥地的地铺上补觉。两天内，所有人平均睡眠不足5小时。
周岳负责最后一班观测飞控参数，10月3日中午一点多，发动机转速和缸温异常，飞机突然下降，她脱口而出，“掉高30米！”所有人闻声从帐篷冲出来，以为飞机没油了，准备随时手动降落。好在十几秒之后，飞机恢复正常，大家才意识到，刚才的异常可能是强下降气流所致，飞机又爬升到300米高空，继续征战。
一个小时后，“准备降落”的口令传来。全身黑色的无人机，犹如一只姿态优美的天鹅，张开十米长的翅膀，从空中翩然而落，尾翼上的五星红旗，格外闪亮。
2019年10月3日14时13分06秒，一项崭新的世界纪录诞生了。这架名为“冯如三号”的无人机成为25公斤至100公斤级油动无人机最长续航时间的创造者。来自国际航联的一位观察员，现场确认了飞行时间以及飞行活动的有效。
“冯如三号”研发团队。本版供图：北京航空航天大学
在小心地收好飞机后，不知是谁起了个头，“五星红旗迎风飘扬，胜利歌声多么响亮，歌唱我们亲爱的祖国……”嘹亮的歌声让在场的所有人沸腾了。
王耀坤介绍，“冯如三号”的意义不只是破纪录，在测绘和通信领域前景也很广阔。比如，无人机上搭载测绘仪器之后，一次飞行30个小时以上，航程将达到两千多公里，可高效获取地面情况。
亲手造飞机，还让一些学生找寻到未来的方向。团队中6名大一学生在专业分流时选择了航空方向，他们梦想着有一天自己造的大飞机也能翱翔蓝天。
北航冯如书院辅导员郭伟丰透露，首批科创营只能有40%的人留队，新补充的营员将和师兄师姐们一道瞄准新的目标，“我们期待，未来他们能造出‘冯如四号’‘冯如五号’，绵延不断地创造新的奇迹。”
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“冯如三号”
“冯如三号”无人机由北航冯如书院和北京学院的33名本科生自主研发、设计、制造、装配。它采用了超大型展弦比，机翼展约为10米，尾撑到机头长4米左右，机身黑色，尾翼印有鲜艳的五星红旗。 整机由高强度复合材料制作而成，满载后总重量为75.44千克；整个机身内部除机头放置了飞控设备以外，其余部分均为油箱，飞行时间可超过30个小时。
何以能破世界纪录
“冯如三号”之所以能够实现超长时间飞行并打破世界纪录，是因为其选材、结构设计、飞控技术等均有精妙之处。
第一，设计超大展弦比。“冯如三号”的展弦比与展弦比为25的“全球鹰”长航时无人机接近，使得飞机以低速就能维持平飞状态，减少油耗，且机翼翼型采用特殊设计，由北航飞行器创新研究团队研制。
第二，材料和加工考究。全机采用先进的航天级复合材料，减轻自重，避免颤振，并将机身结构和线路的风险降到最低，且便于携带更多燃料。
第三，巧置油箱与油路。采用多个油箱串并联设计，避免油箱中产生气泡，并且保证无人机重心的位置改变不至于过大，确保了无人机的平稳飞行。
第四，打造强大的飞行控制系统。无人机采用自适应飞行控制系统，能根据飞行速度和高度调整发动机进油量，节约燃油。实验数据显示，无人机每小时耗油低于1升，远低于市面现有同排量无人机。
编辑：贾爱平
