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同济师生穿越时空的课程设计

复原千年“飞行器”壁画/饰品,放飞玛雅古墓“黄金飞机”

轻轻一甩手,10余架脸盆大小的仿古玛雅电动“黄金飞机”便依次起飞,并在空中盘旋、翱翔……这是8月3日同济大学航空航天与力学学院2016年《微小飞机设计与制作》课程设计作品展的室外活动场景。

众所周知,现代飞机是莱特兄弟发明的,然而,近些年考古学家却在古印度、埃及、玛雅遗址中发现了许多疑似远古人类飞行器的遗物,且动辄就有数千年的历史。本次课程设计围绕人类远古飞行器探秘主题,参加作品展的为同济大学2018届航空专业的50余名大二学生,他们完成并提交了83件作品,具体包括:千年古墓“飞行器”壁画大型木雕、卷轴画12幅,3D打印技术复原的古玛雅飞机状黄金饰品(也称为“黄金飞机”)18件,玛雅“黄金飞机”焊丝工艺品18件,电动遥控仿古玛雅“黄金飞机”12款,玛雅“黄金飞机”叶雕作品12枚,以及轻木/泡沫玛雅飞机风洞模型11架。目前,这些作品收藏于同济大学微小飞行器实验室内,连同先前的20余件同类模型一起,用于对外展示和科普,已构成至今为止国内外首屈一指的疑似人类远古飞行器模型群。

本次课程设计起始于7月25日。当天上午,一段去年同济师生放飞千年仿古玛雅黄金飞机的录像以及一场名为《人类远古飞行器探秘》的科教讲座,拉开了本次课程设计的序幕。

在此后的几天里,同学们分组对文献中记载的6幅疑似人类远古飞行器画面进行电脑描绘,它们分别是1500年前玛雅国王Pakal石棺盖上的“Pakal国王开飞船”石刻、玛雅古城基里瓜的“玛雅国王Jade Sky火箭飞船”石碑、3000年前埃及古墓的“地下发射飞船”壁画等。绘图中,在原作的基础上,同学们对图案中的一些细节进行了润色;而后出图、裱装,最终得到了6幅1m´1.5m近乎完美的远古飞行器主题卷轴画。紧接着,按计划,同学们分别将这些画复写到6张0.9´1.2m的椴木板上。他们拿出事先准备好的专业木雕刀具,照着复写的线条,一点点雕刻……30多个小时过去了,木板上的“远古飞行器”图案逐渐明了起来;最后,雕刻纹路内涂上浓墨,6幅远古人类飞行器主题大型木雕大功告成。

卷轴画与木雕制成之后,同学们随即进入下一轮任务,即采用3D打印技术复原近年来玛雅古墓里发现的18款“黄金飞机”。为此,同学们结合玛雅“黄金飞机”的相关图片以及文字描述,先用纸张勾勒出玛雅“黄金飞机”的轮廓草图,再深思熟虑后确定出各玛雅飞机的主要尺寸。接着,在电脑中利用大型CAD软件Catia进行三维玛雅“黄金飞机”建模。建模完成后,把各模型存储成适于3D打印的STL文件格式,并使用实验室的3D打印机打印;打印后的玛雅“黄金飞机”外表涂上鎏金墨水,于是,一套18款巴掌大的1:1古玛雅“黄金飞机”便被复制出来。手捧着自己亲手复原的古玛雅“黄金飞机”,个个金光闪闪,形态各异,栩栩如生,同学们仿佛也穿越回到了千年前的古玛雅文明时代。

成功复原古玛雅“黄金飞机”之后,同学们接下来做的是将3D实物模型再次转化为准二维实物模型,即将18款“黄金飞机”抽象化,设计并制作出相应的铁丝焊接版古玛雅“黄金飞机”工艺作品,进而为稍后的电动遥控玛雅“黄金飞机”设计提供蓝本。于是,同学们又忙碌起来,飞机方案设计与图纸绘制、铁丝裁剪与弯折、构图与铁丝焊接、钳工矫形与鎏金水上色……一系列紧张的工序完成之后,18款焊丝版古玛雅“黄金飞机”模型相继完成。这些数千年前的遗物模型金光灿灿,或形态夸张,或灵气通透,无不彰显出远古人类的聪明才智。

值得一提的是,在玛雅焊丝飞机创作的同时,同学们还开展了传统项目--飞机叶雕艺术创作,即在树叶上雕刻飞机图案。该项目中,同学们先后完成并提交了250余件飞机叶雕作品。这些作品线条细若盘丝,构图合理、刀工精巧,涵盖了包括C919、波音737、空客380、F16战机、F117隐形战机等在内的近200款当代主流机型。令人惊喜的是,其中居然有12款古玛雅“黄金飞机”的形象也被雕刻在了树叶之上。

上述的远古飞行器卷轴画/木雕、3D打印玛雅“黄金飞机”、焊丝版玛雅“黄金飞机”以及飞机叶雕制作仅是本次课程设计内容的上半部分。本次课程设计的下半部分为分组设计、制作14款仿古玛雅电动遥控“黄金飞机”。按照要求,电动玛雅飞机必须以古玛雅“黄金飞机”为原型,翼展和机身长度为300-400mm左右,固定翼;飞机统一采用2.4GHZ无线遥控,6通的微型接收机,遥控范围数百米左右;动力采用7.4伏可充电的小锂电池;发动机为重量9克的微型无刷电机。

本次古玛雅电动飞机设计与制作,貌似教学生制作会飞的遥控玩具,但这种‘玩具’的设计、制作却与普通模型爱好者完全不同;它除了要求学生们制作、试飞成功微小遥控飞机之外,更强调气动分析、推力测试、CAD建模等飞机的设计环节……譬如,去年同济大学微小飞行器实验室复原了1903年莱特兄弟的1:1风洞,而所有玛雅黄金飞机的升力、阻力、升阻比,以及动推力都要在该风洞中进行测试;再比如,玛雅飞机的布局结构、重心预算等均需要在大型CAD软件Catia中进行等。换句话说,就是要让每一个学生亲身经历一轮微缩简化版的飞机设计、研制、试飞全过程。

在飞机设计过程中,各组同学充分发挥自己的想象力,夸张地把此前制作的3D打印、焊丝版“黄金飞机”模型形态融入各自飞机。CAD建模与重心计算、风洞试验与推力测试、控制性能与飞行性能分析……小组成员分工协作,有条不紊的进行着。制作完成的电动玛雅“黄金飞机”身披金黄色的“肌肤”,黑色花纹,有的张牙舞爪,有的可怜伊人,有的神态张扬……形象逼真,十分可爱。最后,各组飞机依次试飞,并作试飞总结,课程设计进入尾声。

本次课程设计紧扣人类远古飞行器主题,依次精心设置了《远古人类飞行器探秘》讲座、大型远古人类飞行器主题卷轴画与木雕制作、3D打印技术复原古玛雅‘黄金飞机’、古玛雅黄金飞机焊丝工艺品与叶雕制作,以及仿古玛雅电动“黄金飞机”设计与制作等环节。这是一次‘时空上穿越’的教学活动,是一种全新教学方法与理念的大胆尝试,它集探秘、艺术、趣味、知识与实践为一体,锻炼了学生们飞机设计理论知识的综合应用能力,培养了焊接、雕刻、航模制作、3D打印与激光切割等方面的实用技能,同时也意在提高同学们的人文艺术修养。

 

课程视频:

 

上海电视台报道:

 

杨浦有线电视台:

        http://www.kankanews.com/a/2016-08-05/0017634087.shtml

课程风洞实验视频

 

直接与间接相关报道(报纸媒体):

       [1]上海科技报:好作业学员走进同济,制作埃及“木鸟滑翔机”,来源:http://www.duob.cn/piccont/194587.html

       [2]  杨浦时报 8月11日 网址:http://www.yptimes.cn/html/2016-08/11/content_4_1.htm

       [3] 上海科技报  2016年08月10日  版面:B2  网址:http://www.duob.cn/cont/823/194408.html

       [4] 新民晚报与上海科技报 http://blog.sciencenet.cn/blog-39356-994410.html

       [5] 杨浦时报 http://www.yptimes.cn/html/2016-07/21/content_3_2.htm

    [6] 中国青年报 http://blog.sciencenet.cn/blog-39356-987562.html

 
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沈海军

沈海军

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西北工大学士(1993年)、硕士(1997年)、博士(2000年)、南京航大博士后(2002年);现任同济大学航空力学学院教授,兰州交大兼职教授,博士生导师,飞行器工程所所长。 担任《The Open Mechanical Engineering Journal》杂志编委;教育部教学指导委员会成员。中国纳米艺术第一人,中国昆虫动力飞机第一人,中国三维打印飞机成功设计与试飞第一人。 主要研究方向:飞机设计、疲劳断裂、纳米力学等。已发表论文200余篇,其中,SCI检索30篇余篇、EI检索50余篇。承担或参加过国家863、国家自然基金、航空基金等多个项目。著有《纳米科技概论》、《新型碳纳米材料-碳富勒烯》、《近空间飞行器》、《纳米艺术概论》、《航空航天概论》、《千姿百态的纳米花》等著作。 联系方式:shj@tongji.edu.cn 上海市彰武路100号,同济大学航空与力学学院,200092

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