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从“有桨”到“无桨”:锐意创新 赢在坚持





  “如果这一理念能得到切实的推广与应用,就相当于从螺旋桨飞机到喷气式飞机的跨越,将会产生巨大的推动作用。”在第五届OI中国水下机器人大赛比赛现场,裁判长宋大雷对“无桨推进水下机器人”给予了高度赞誉。
  而事实上,直到比赛的前一天,董斌鑫和逯城雷还在调试着参赛作品,为第二天的比赛做最后的准备。他们将临时在4S店买来的继电器装上,打开机器人开关,电机传来正常运转的声音,董斌鑫长长地松了一口气,逯城雷紧锁的眉头也舒展开来———终于成功了。
  在经历了一系列波折后,董斌鑫和逯城雷团队站在了第五届OI中国水下机器人大赛的比赛现场。这项比赛是以全球顶级海洋科技展览会———青岛国际海洋技术与工程设备展览会OIChina为平台,面向专业高校的国际性大赛。与往年相比,今年的比赛重点突出创新,而“无桨推进水下机器人”正契合了“创新”这一主题。最终,凭借“无桨推进水下机器人”出色的创意、设计与现场表现,由我校机械工程学院的董斌鑫、逯城雷、王凯甬以及商学院的赵诗倩组成的团队以全国第三名的总成绩从19所院校的45支队伍中脱颖而出,荣获大赛二等奖。
  从“有桨”到“无桨”,“无桨推进”在“水下推进”领域是一次新的尝试。一般而言,传统螺旋桨存在噪音较大、推进效率不理想、容易被水中的水草和杂物缠绕、对水中的人或动物造成伤害等诸多弊端,而目前业界研究的磁流体推进器虽然是无轴,但体积庞大,推进效率低,且只能在盐度较高的海水中工作,无法大面积推广。为此,王凯甬萌生了“无桨推进”的创意。
  “我们下载了30多篇国内外关于无桨或其他非螺旋桨推进、流体力学、自流体运动等方面的论文,发现很多论文中都提到了‘科恩达效应’。”于是,团队开始尝试将“科恩达效应”与“水下推进器”相结合。
  “科恩达效应”即当所有流体包括液体和气体,流经物体表面的时候,如果物体表面的曲率不是很大,流体就会贴着物体表面运动。只要曲率设计得恰如其分,那么流体通过物体表面时小流体带动大流体,其效率就特别高,应用此原理设计出的无桨水下推进器的效率就会高于传统螺旋桨推进器。
  但当他们将“科恩达效应”与“水下推进器”二者结合起来,去网上查找相关文献时,发现可以利用的文献资料非常少。“由于实验室设备有限,我们甚至无法测出大概的推动力,更不用说精确的数据,基本上全凭经验和感觉,一点点地摸索。”王凯甬说。
  正当整个团队对该研究方向的可行性产生怀疑时,团队指导老师、我校机械工程学院党委副书记张宏选的一席话给他们打了一剂强心针:“目前国内好像还没有人将‘科恩达效应’运用于水下机器人的推动,无桨推进器在这个领域无疑是一个很大的创新。”受到老师的鼓舞,整个团队坚定了研究方向,开始马不停蹄地准备。此时距参赛只有不到两个月的时间。
  第一代的图纸设计出来后,他们利用实验室的3D打印机打出了主要部件。然而,由于实验室的3D打印机精度达不到实验标准,加上成员的知识有限,团队无法实现对一些流体的精确分析,这些都导致加工出来的部件误差较大,实验效果不理想。
  经反复改进,第二代“无桨推进水下机器人”初显雏形。正当他们满怀期待地将第二代机器人放入水池进行实验时,接下来的一幕却让董斌鑫、逯城雷、王凯甬三人集体陷入了沉默———机器人在水中纹丝未动。“为什么不会动?是因为‘科恩达效应’完全不适用,还是因为电机功率不够大?”当晚,三人被眼前进退两难的局面困扰,难以入眠。“如果因为‘科恩达效应’不适用,那根本没必要再继续下去了,但我们不想放弃。”逯城雷面露凝色。虽然“前途未卜”,但他们还是决定修改模型,再次尝试。
  经过四天的努力,他们找出了症结所在———用于抽水的涡轮装置功率太小、推进器体积太大。在这次调整之后,“无桨推进器”终于达到了理想的推动效果。
  赛后,董斌鑫、逯城雷和王凯甬的生活依旧紧张忙碌,董斌鑫说:“比赛获奖只是对我们研究方向的一个肯定,后续我们还会进行更深入的研究。”目前,他们已就“无桨推进水下机器人”申请了一个发明专利和两个实用新型专利。