祥云橡筋動(dòng)力直升機(jī)的制作原理與飛行研究

胡耀征+胡躍真+李建飛

摘 ?要 航模制作比賽是中小學(xué)科技活動(dòng)的重要內(nèi)容。研究橡筋動(dòng)力直升機(jī)的制作和飛行的原理和技巧，得到本航空模型較好的制作和放飛經(jīng)驗(yàn)，也重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力，是理論聯(lián)系實(shí)踐的實(shí)際案例。

關(guān)鍵詞 橡筋動(dòng)力直升機(jī);航空模型;螺旋槳;迎風(fēng)角

中圖分類號：G875.3 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）03-0132-02

2014年秋季，臨沂市蘭山區(qū)義堂中學(xué)參加了山東省第三屆無線電模型大賽。其中有祥云橡筋動(dòng)力直升機(jī)這個(gè)項(xiàng)目，拿到訓(xùn)練器材才發(fā)現(xiàn)橡筋直升機(jī)并非全國都在使用的猛虎槳。實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)飛得很不好，高度不過10米，留空不過七八秒鐘。如此情景如何參賽？馬上靜下心投入到對祥云的研究。經(jīng)過近一個(gè)月的研究、訓(xùn)練，終于取得不小的突破，在省賽祥云項(xiàng)目，義堂中學(xué)幾乎包攬了男女組的前三名。在此把前期的研究資料進(jìn)行總結(jié)，以免散亂遺棄。

如圖1所示，話說橡筋動(dòng)力直升機(jī)，最先看到它的人，一般都以為就是玩具，但是若以留空計(jì)時(shí)賽來看，則是標(biāo)準(zhǔn)的航空模型。無論是制作還是放飛，都大有學(xué)問。

1 實(shí)測數(shù)據(jù)及結(jié)論

常規(guī)的制作和放飛方法不再贅述，重點(diǎn)研究影響成績的主要因素。研究的方法主要是通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證，下面通過幾個(gè)方面來進(jìn)行。

猛虎和祥云螺旋槳的差異對比性實(shí)驗(yàn) ?重量對比，手感祥云螺旋槳比猛虎的要重，實(shí)測結(jié)果一對槳的質(zhì)量：猛虎4.3克，祥云5.2克。所以后期減重是必須要做的。

猛虎和祥云的螺旋槳的實(shí)測飛行對比數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)論：在不對螺旋槳做任何改動(dòng)的情況下，猛虎槳比祥云槳效率要高，主要原因是猛虎槳比祥云槳要輕。所以必須對祥云槳進(jìn)行打薄減重。

橡筋的極限測試 ?由于直升機(jī)的動(dòng)力來源于扭緊的橡筋，所以應(yīng)盡可能地把橡筋繞到最大圈數(shù)。祥云套裝里有深色和淺色兩根橡筋，需要對它們進(jìn)行極限測試，相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

結(jié)論：深色橡筋極限在440圈左右，淺色橡筋極限在465圈左右，淺色橡筋比深色橡筋的拉伸倍數(shù)要大。所以實(shí)際比賽中應(yīng)盡可能選用淺色橡筋。

槳尖迎風(fēng)角測試 ?螺旋槳的槳尖處的線速度最大，減小此處的誘導(dǎo)阻力是必要的。把槳尖的迎風(fēng)角減小是有效的手段。為此做對比試驗(yàn)，使用同一副槳，每次螺旋槳的70%處迎風(fēng)角保持20°，改變槳尖的角度來進(jìn)行對比，如表3所示。

結(jié)論：槳尖處的誘導(dǎo)阻力對能量的消耗是比較大的，槳尖處迎風(fēng)角維持10°較好。

測試螺旋槳迎風(fēng)角對留空時(shí)間的影響 ?角度大則阻力大，角度小則阻力小。要避免大馬拉小車或者是小馬拉大車的情況出現(xiàn)，就一定要研究最佳迎風(fēng)角。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

準(zhǔn)備三根相同的淺色橡筋，同樣做預(yù)拉伸，每次都是繞到400圈。并且使用相同的一副螺旋槳。螺旋槳經(jīng)過打薄減重，并且槳尖處迎風(fēng)角維持在10°左右，保證不同角度下的可比性，如表4所示。

結(jié)論：在繞到400圈左右時(shí)，螺旋槳的最佳迎風(fēng)角是20°左右。要明確的是最佳迎風(fēng)角的大小和橡筋繞數(shù)有關(guān)，和橡筋的種類、質(zhì)量有關(guān)，所以并非不變，需要隨時(shí)依據(jù)實(shí)情來進(jìn)行調(diào)整。但是在這個(gè)比賽項(xiàng)目中調(diào)整到20°就可以了。

以上主要是通過實(shí)驗(yàn)來獲取一些理想數(shù)據(jù)，實(shí)際制作、調(diào)整、飛行中還有需要注意的一些事項(xiàng)。

2 實(shí)飛注意事項(xiàng)

關(guān)于阻力板 ?首先要確定阻力板在機(jī)身上的位置。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，必須仔細(xì)調(diào)整阻力板的安裝位置，使得飛機(jī)既能穩(wěn)定上升，又能翻滾降落。這里涉及重心和阻力中心，調(diào)整時(shí)重心位置應(yīng)該在阻力中心的上邊，飛機(jī)才能豎直穩(wěn)定上升，如圖2所示。

橡筋的選擇、保養(yǎng)、預(yù)拉伸、清潔、潤滑等工作注意事項(xiàng) ?橡筋動(dòng)力模型飛機(jī)的代號是p1b或者f1b，是用扭轉(zhuǎn)的橡筋帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋槳產(chǎn)生拉力使得模型爬升或者保持平飛。橡筋釋放完畢，螺旋槳停止轉(zhuǎn)動(dòng)，模型轉(zhuǎn)入滑翔。

動(dòng)力時(shí)間越長，模型滑翔時(shí)間越長，飛行的總時(shí)間越長。橡筋動(dòng)力飛機(jī)的爬升是靠橡筋帶動(dòng)螺旋槳實(shí)現(xiàn)的，橡筋儲存的能量越多，模型可以爬升的高度就越大，所以怎樣使得橡筋獲得更多的能量，是模型飛機(jī)研究的重點(diǎn)。

平時(shí)訓(xùn)練的時(shí)候橡筋應(yīng)該選擇單位質(zhì)量能高、拉伸倍數(shù)大、殘余形變小、均勻性較好、耐久性較好的橡筋。

新橡筋首次使用必須做預(yù)拉伸，這樣橡筋才會比較均勻，可以得到較好的性能，也能增加可繞圈數(shù)。如果不做預(yù)拉伸，容易老化，性能下降快，壽命短。

清洗：可以用洗手液搓洗后用清水漂干凈。

潤滑：最好是用蓖麻油來進(jìn)行潤滑。

機(jī)頭的處理 ?實(shí)際制作中發(fā)現(xiàn)，螺旋槳插入槳窩里，左右兩根槳的迎風(fēng)角是不一致的，這點(diǎn)在猛虎槳身上同樣存在，所以必須對槳窩進(jìn)行處理，才能使兩根槳的迎風(fēng)角保持一致。掏挖的時(shí)候要注意大小合適。

3 結(jié)語

制作和訓(xùn)練中的研究和結(jié)論基本情況就是以上內(nèi)容，實(shí)際比賽還有許多的細(xì)節(jié)需要注意。通過一個(gè)小小的看似玩具的橡筋直升機(jī)，花費(fèi)了筆者和航模組學(xué)生一個(gè)月的休息時(shí)間，除了比賽取得好成績外，也理解了一般橡筋動(dòng)力模型的構(gòu)造、原理，學(xué)會了熟練組裝橡筋動(dòng)力飛機(jī)模型，掌握了橡筋動(dòng)力直升機(jī)模型的飛行方法和注意事項(xiàng)。

在過程和方法上，通過對橡筋動(dòng)力直升機(jī)模型的組裝和放飛，體驗(yàn)到模型制作的過程，體會科學(xué)知識在實(shí)際應(yīng)用中的作用。通過動(dòng)手實(shí)踐，切身感受知識的學(xué)有所用，理論和實(shí)踐緊密結(jié)合的重要性。

再有在情感態(tài)度和價(jià)值觀上，通過近一個(gè)月對橡筋動(dòng)力直升機(jī)模型的組裝和放飛，提高了動(dòng)手操作能力，培養(yǎng)了科技創(chuàng)新意識和創(chuàng)造能力，形成一絲不茍的科學(xué)探究精神和認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖鍪聭B(tài)度，這對于中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提高有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]劉文章.飛向藍(lán)天：航空模型制作[M].天津：天津科技翻譯出版公司，1997：48-62.endprint