面向创新思维培养的大学科研活动及演化

刘战合，田秋丽，王晓璐，徐亚辉，王 菁

（1. 郑州航空工业管理学院航空工程学院，河南 郑州 450046；2. 郑州航空工业管理学院经贸学院，河南 郑州 450046；3. 郑州航空工业管理学院团委，河南 郑州 450046）

大学培养主体阶段分为本科、硕士、博士，相应的科研活动依据阶段不同特点各异[1,2]，对大部分二本院校来说，与研究生时期对比来看，教育条件和科研基础欠缺较大，该阶段科研活动对本科能力培养的影响有限。对如郑州航空工业管理学院这一类的二本院校，主要表现为本科阶段的科研素养培育和锻炼，在基础课程学习的基础上，依据专业和学生特点不同，有针对性的安排以科研导向为目的的项目。

同时，在当前国际国内创新思维新形势下[3,4]，具有典型的“互联网+”特点，其创新创业思路对科研活动也有重要影响，各种立足于科技创新、科技创业的竞赛全面展开，形成较为鲜明的科研活动亮点。科技竞赛主要分为官方形式和学会主办形式，官方形式如经典的“挑战杯”全国大学生系列科技学术竞赛[5,6]、全国大学生数学建模竞赛等，学会主办形式如中国国际航空航天锦标赛（CADC）、未来飞行器设计大赛等，共同形成相辅相成的体系。

本科阶段的科研活动主要以上述科技竞赛为导向，结合少数科研学术或工程项目，二者相互支撑，组成二本院校科研活动的主体。基于以上考虑，以科研活动（新概念飞行器设计）为载体，尝试探索科研创新思维的培养模式或方法，进而研究科研活动的演化过程及方向。文中水上无人机方案均获得2017年度“挑战杯”国赛三等奖和第三届中国“互联网+”大学生创新创业大赛国赛铜奖，其演化方案获2018年第四届中国“互联网+”大学生创新创业大赛河南省赛一等奖。

一、科研活动内涵及构成

我国教育部对科研的定义为“为了增进知识包括关于人类文化和社会的知识以及利用这些知识去发明新的技术而进行的系统的创造性工作”。可以看出，科研活动具备以下重要特点：

（一）目的性

一般来说，经过需求分析或前期调研，立足现有技术储备、条件，科研活动均有目的性，即具有较为明确的研究方向、研究方案、研究方法等。尽管对一些前沿探索性课题或项目，其方案、方法、基础条件等存在不明确性，但其研究目的性一般较为明确，如一些备受关注的重大科学问题、猜想等。对二本院校科学活动情况来说，立足现有基础条件和知识储备，有较大成功预期。以新概念飞行器设计为例，从学生能力和现有知识体系出发，其目的性可大致分为两类：一是对掌握飞行器设计、空气动力学、飞行控制、飞行器制造等学科的再次认识和提升；二是面向应用设计并制作出新型概念的飞行器。

同时，目的性根据学科特点不同（理科、工科）进行划分，对理科来说，重在科学基础理论和方法，而对工科，重在应用方向，并能形成具体产品。科学基础理论是对现有知识体系的再次融合，并在某一方向形成创新性结果，科学活动也可以是对某些理论技术方法和手段的探索以及发现，一般难度较大。从工程应用角度讲，科研活动可形成研究领域方向的新产品、新工艺、新技术等，对应用有重要指导或参考价值，部分科研活动可形成新产品、新工艺流程，该类研究一般以解决实际需求为目标，偏向工程应用。

（二）创新性

在既定目的下，科研活动的实施和完成，必然伴随着新方法、新技术、新理论、新产品等，即创新性。在当前快速发展形势下，科研活动的创新性尤显突出，形成“万众创新”局面。如前所述，科研创新活动亦可根据其理、工科背景有所区别，理科方向主要在自然理论、研究方法上形成新理论、新方法，一般需要长期的、严格的对现象的深度认识和对理论的严密推理。工科方向，以新应用、新产品、新工艺等为目标，注重在一些重要性能上获得提升。

创新性是贯穿科研活动始终的，如对水上无人机研究，其应用方向确定为水灾救援、水污染数据搜集后，可以将方案目标定位为：可在一定限制条件（如风、浪、雨等气候条件及水流速度等）下稳定起降、具有一定载荷承载能力、可在水面停留作业的无人机。从以上目标定位来看，其限制条件是与新需求密切相关，既要求满足任务需求，又要确保无人机安全；一定载荷承载能力是任务载荷需求，并尽量要求实现通用性、模块化，以提高无人机多功能应用；可在水面停留作业要求相对较高，也是本项目研究的重要创新点之一，以满足洪灾后（或其他情况）水面救援及水样采集等功能，且长期驻留表面也为后续的功能、性能演化提高提供基础。

（三）系统性

对科研活动来说，一个重要特点是其系统性，任何一个科研活并非孤立存在，都与其他相近学科、相近科学问题有紧密联系，以具体科研方向为主，系统化结合相关学科、相关科研条件，共同推进科研活动开展。

对水上无人机设计来说，其系统性体现在学科的综合、产品的多功能上，从学科角度来看，以飞行器总体设计为核心，涉及舰船设计、水动力学、空气动力学、数据链设计应用、飞行控制、材料成型设计及工艺实现、多功能应用设计等，是以上学科的有效融合，系统化后形成以水面停留、水面起降为创新特点的可执行水灾救援、水质监测、水样采集等的多功能水上无人机。通过系统化设计，对以上各学科进行综合，有效折中，实现创新性水上无人机设计。

（四）可行性

任何一个科研活动，在充分考虑目的性、创新性、系统性后，还需考虑科研可行性，即项目或科研目的达成的可能性，一般是科研活动组织和开展初步阶段的主要任务，需要根据现有技术条件、科研平台现状等，综合分析预设研究方案、研究方法、当前业内研究状态等，并对研究团队成员建设、科研素养等进行详细调查分析，得到影响科研活动的关键问题、重要影响因素，进而研究采用的应对方案和技术。

从可行性来说，水上飞机研究有悠久历史，已经形成较多研究经验和技术参考，尤其是飞行器总体设计和布局设计等已有大量研究结果供参考借鉴。当前的水上飞机主要采用船身式或浮桶式的固定翼布局方式，以大展弦比提高升力系数，本项目根据设计需求，为提高飞行性能、水面起降性能和结构性能，创新性采用船身式+连翼式布局结构，提高了项目可行性，通过陆上和水上起降试飞，证明了方案的正确性。

二、基本流程及创新思维融合

从内容来说，基于应用背景考虑的科研活动的基本流程可以概括为需求分析、方案设计、初步试验、方案优化、试验验证、方案定型这六个环节。对理论研究或方法研究的科研活动表现为类似的过程，不再详细说明。

（一）需求分析

科研活动必然是以解决科学问题为主要目的，科学问题即现象的需求，将初步的需求经过分析梳理，形成条理清晰、目的明确的科学问题，作为科研活动要解决的主要目标和科学任务。比如，我国南方每年均会爆发不同规模的水灾，而对水灾的救援，主要限于地面物资、药品运输，严重影响救援效率和时机。为解决水上救援，将科学需求总结为：可水上起降、水上停留并投放物资、航程20km、抗风浪、承载2～5kg（小型验证机）等。

（二）方案设计

针对详细的科研需求分析和需要解决的科学问题，基于现有科学理论、技术实现手段、生产制作工艺等，保证科学活动可行性，制定出合理的、高效的、成本可接受的设计方案。在方案设计阶段，对水上无人机，可采用船身式、浮筒式，对本项目，考虑到水面航向设计及控制、未来无人机可拓展性，采用船身式结构；从飞行器布局设计考虑，可采用固定翼或多旋翼设计方案，但考虑到多旋翼在航程、水面停留、水面起降等需求上均存在较大矛盾，而固定翼设计方案可充分将船身式、浮筒式结合实现水面起降、水面停留需求，对水上救援有重要影响。综合以上问题及后续应用，将方案初步定为：船身式+固定翼方案。

（三）初步试验

一个初步的设计方案，往往并不完善，存在诸多设计缺陷或隐患，需要通过初步试验来验证，试验可以实际飞行试验，也可以是仿真试验，但对本项目而言，巡航阶段的空气动力学仿真已基本成熟，而水面起降动态过程及对抗风浪能力还处于初级研究阶段，并未形成精度满意的力学分析方法和数值模拟技术。因此，项目选择了巡航阶段气动数值模拟+飞行试验结合方法；而水面起降采用方案为：先进行陆上起降测试，验证起降性能后，再进行水面滑行、起降试验。在该阶段，通过多次试验尽早发现设计缺陷和问题，以便后期改进，在初选的多个方案中进行取舍并优化。采用空气动力学数值模拟连翼式布局方案的巡航状态气动性能，其迹线图和压力云图见图1。

图1 连翼方案8度迎角的迹线图和压力云图

（四）方案优化

通过初步试验和方案验证后，根据飞行试验结果，优化设计方案，综合考虑各种情况，对优化设计方案进行改进提升，基本完成设计任务。通过飞行试验，结合水面滑行情况、飞机结构考虑，将初选中的直机翼、浮桶式设计方案淘汰；对连翼设计参数（几何参数和性能参数）进行优化，尤其是连翼方式、船身式断阶设计等，将方案阶段性定为船身式+连翼式+动力后推式的新颖方式，并考虑到水面滑行稳定性和方向可控性，在翼稍设计了航向控制器，设计方案如图2，该设计形成国家发明专利1项。

图2 优化设计方案

（五）试验验证

该阶段目标明确，以优化方案为基础，主要验证需求阶段的目标是否达到，科学问题是否已基本解决，试验结果鲁棒性如何，功能性是否均能满足等。方案优化后的水上无人机进行了陆上、水上试飞，为验证其水面起降性能、水面滑行情况等，进行了多次水面起降试飞。通过多次试飞和测试，证明设计方案可行，可完成初始预定科学需求，并在设计方案上获得了布局创新、水上起降创新、水面航向控制创新、船身设计创新等多个创新点。

（六）方案定型

通过以上流程，如果优化方案可满足所有科学需求，则方案进入定型阶段，如不能满足，则需要从以上相关流程阶段重新开始，对方案进行修改或重新设计。方案的定型需要考虑成本、可维护性、制造技术复杂度等。

通过以上科研活动过程，基本验证了水面起降性能、飞行性能、水样采集、水面滑行等性能，形成的船身式水上无人机如图3，命名为海鸥I。通过科研活动锻炼，形成了以本科生为核心的科研团队，锻炼了新型飞机设计和制作技术，提高了科研创新思维能力。

图3 定型方案（海鸥I）

三、科研活动演化

（一）方案演化

方案定型后，一般不做较大设计改动，如果需求应用变动较大，则需要在原有方案上进行优化甚至重新进行方案设计。如需求变动不大，则仅需到既有方案进行改进或完善，以应对新需求。随着近年来国际国内物流业的大力发展，快递物流已形成大范围覆盖，从航程上将，包含远、中、近，甚至是末端市场的超短距离，由于水上起降具有成本低、机场设备无需特殊设计、无需起飞跑道等专门设施，成为一些物流巨头的首要选择。

考虑到物流需求，对现有连翼式设计方案进行改进提高即可，物流快递希望具备较高的任务载荷，同时具备较低的运营成本、飞行稳定性等，以上需求可归纳为：载荷大、巡航性能高、升力系数大及飞行器稳操性高等特点。基于以上考虑，可利用连翼式机翼的优秀特点：较高升力系数、结构性能优秀、水上起降平稳等优势，并根据物流需求适当增加翼展，考虑到载荷需求，延长机身，并增大了无人机几何尺寸等。将原来的设计方案修改后命名为海鸥II，并对其气动特性进行了详细分析，表面压力分布如图4所示。

图4 海鸥II表面压力云图

同时，根据实际需求，在郑州上街机场和大型湖面进行陆上和水面起降试验，验证了飞行性能、气动性能，如图5。该海鸥II方案以当前市场对无人物流、快递新方式的需求为目标，经过详细市场调研和方案论证，将应用方向明确为：新型水陆两用连翼式物流运输无人机，参加了2018年第四届中国“互联网+”大学生创新创业大赛，获河南省赛一等奖。

图5 海鸥II水面试飞（左图）和静态展示（右图）

（二）应用演化

科学研究的主要目标是解决实际应用问题，因此，方案定型时还应考虑应用方向的影响。本项目另一使用方向是水质采样或采集，需要将水上无人机与水面采样设备综合考虑，根据实际情况，研究团队设计了专用的星轮式可连续水样自动采集器，满足对水质水样的连续式采集。如图6，该设计已获批实用新型专利、发明专利各1项。

图6 星轮式水样采集器

同时，鉴于水面长期停留，为提高水面停留性能，在连翼上翼面铺设太阳能面板，主要用于水面停留时对飞行器蓄电池充电，而非飞行过程中实现充电，可用来提高飞行器在特殊情况下的作业性能。设计方案如下图7。

图7 铺设太阳能面板初始方案

四、结束语

针对国内高校本科阶段的大学科研活动，以某型新概念水上无人机设计研究为例，研究了科研活动的内涵及构成，并对其特点进行总结，详细阐述了科研活动具有的目的性、创新性、系统性、可行性等。在以上基础上，对科研活动基本流程进行详细分析，将流程分为六个阶段，并对科研创新思维进行了深度融合。最后，考虑到实际应用需求或其他需求的变化，分析了科研活动的演化，分为方案演化和应用演化。