航模制作中的物理學原理

田明昊

【摘要】航空模型制作活動是一項益智類的動手實踐活動，學校在航空模型活動組織中鼓勵學生培養自己的實踐觀察能力和動手創新能力。我作為一名熱愛航空模型活動的學生，在航空模型活動中應接受更多的科普實踐知識教育。本文簡要總結我在航空模型制作活動中的一些心得體會。

【關鍵詞】航空模型 活動 實踐 創新 科普教育

【中圖分類號】V249 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2017）41-0145-01

航空模型活動能夠有效提高自己的實踐操作能力和創新能力，對個人的意志磨煉和科學情感、態度培養具有重要作用。我在學校航空模型社團活動中掌握了較多關于航空模型制作的物理知識，通過與社團成員在航空模型制作中的交流、合作也掌握了許多關于航空模型制作的的方法和技巧。對于我在航空模型制作中的一些心得和體會，現總結如下。

一、模型外形與空氣阻力

通常水滴的形狀較適應空氣動力學，因為這時產生的空氣阻力最小，最利于飛行器的飛行。但是我們在航空模型制作中由于技術、材料以及其他航空參數要求并不能將其外部形狀設計、制作為水滴形狀。[1]但是根據這一點，我在航空模型設計中傾向于將模型外部線條流線化，光滑界面更加有利于減少空氣阻力、提高飛行速度。這主要是因為空氣在平滑界面流動不產生破裂性旋渦，空氣摩擦損耗的能量較少，從而能夠更好的保持航空模型的速度。因而在航空模型制作中通過襟翼設計幫助把流動空氣“鏟”向上方，減少空氣向下壓力，在作用力和反作用力下促進航空模型的飛機機翼產生向上的飛行升力。

二、航模制作中的外形設計和流體分割關系

在航空模型制作中需要注意將模型鋒利的邊角部分和明顯的突出部分予以去除、磨圓，否則這些贅余部分將會造成一定的空氣阻力，繼而影響正常的飛行試驗，使航空模型飛行速度變慢，甚至難以移動直至墜落。航空模型制作中要注意模型低速飛行時，流體在不同平直層流動，不同層相互不干擾，無旋渦產生，這種層狀流動能量損耗較小，但流速大于臨界值時會有小漩渦在附面層產生，能量損耗加大。機翼迎角過大或過快的空氣速度，均會導致流體分割的產生，因而對于航空模型特定機翼提供的下壓力控制，需要防止迎角過大，否則機翼的飛行效率降低，影響飛行速度。

三、機翼的空氣動力學

在航空模型設計中結合空氣下壓力原理需要用到物理公式“P=F/S”，航空模型機翼部分的面積越大則受到的作用力也越大。因而我與其他社團成員討論后決定適當增加航空模型機翼表面積，提高其升力。一般機翼上表面彎曲而下表面平直，從而導致空氣上表面流動路徑不如下表面空氣流動路徑短、直，這主要是因為機翼上表面空氣屬于曲線流動，流動路徑更長。伯努利定理強調體積一定的流體具有能量守恒的特點，不改變空氣流動方向的情況下，大氣壓下降，航空模型機翼上下表面空氣流速，產生大氣壓差不同，這種上下壓強差的合力與航模重力平衡，使得航模能保持在空中。這就要求在航空模型制作中要處理好機翼上下表面的光滑度差。

四、機身設計與荷載力

航空模型在起飛與著陸時的存在沖擊和過載，在設計制作中對于不同動力裝置、機翼和構件部分的受力和傳力情況均要預留安全裕度并綜合考慮。機身零部件、機身結構以及內部物件質量在重力因素影響下容易導致模型飛行狀態失穩，因而在機身結構、重量以及內部構件制作中要計算好相關參數。另外機身受到直接氣動力作用，機身飛行時直接受到蒙皮傳來的氣動力荷載，機身總體結構同時受到扭轉荷載、水平荷載和垂直彎曲荷載影響，大多數場合下機身本身結構等同于機翼與機身連接的梁。承受彎曲垂直荷載時可以當做梁來計算。認為重力為均布載荷，氣動載荷按集中力來計算。在無凈轉動矩的情況下危險點大致總是出現在重心附近，此處加強設計即可。

五、尾翼設計與受力分析

航空模型尾翼部分與機翼部分的平面形狀比較相似，通常為梯形、長方形或橢圓形，飛機水平尾翼的平面形狀大多是帶有圓角的梯形。在航空模型尾翼設計中垂直尾翼部位應混合梯形和橢圓形的設計，應用圓角部分削弱飛機飛行中受到的空氣阻力。水平部分的尾翼展弦比為3或4，垂直部分的尾翼展弦比為1.5或2，尾翼迎角為負時可以忽略誘導阻力問題。

結語：

在航空模型制作中我學習更多的課外物理學知識，鞏固了課本的知識；同時在與社團成員的合作交流也使自己充分意識到航空模型制作不是簡單的手工操作活動，對于航空模型外形設計以及內部構造等均要在共同討論中，應用和遵循空氣動力學原理，不斷進行數據計算和操作改進。航空模型制作中也使我更加深刻地認識到要充分應用物理原理和科學知識，就要在模型設計、制作中端正學習態度、提高動手能力，把相關的知識學以致用。

參考文獻：

[1]劉江淮.讓航模活動為青少年插上科學的翅膀[J].中國校外教育，2012，（26）：12.endprint