室內(nèi)微小模型飛機的設(shè)計與制作

鄭中華

（東莞市虎門中學(xué) 廣東 東莞 523900）

室內(nèi)微小模型飛機的設(shè)計與制作

鄭中華

（東莞市虎門中學(xué) 廣東 東莞 523900）

微型飛機的設(shè)計與制作是深受人們喜愛的課程。通過微型飛機設(shè)計制作實踐課程，可以對室內(nèi)微小飛機設(shè)計與制作之性能、3D打印技術(shù)、動力、制作技巧等有深入的了解，將科學(xué)研究精神深深植入腦海中，對于未來踏上科學(xué)研究的道路大有裨益。

室內(nèi)模型飛機；微小模型；技術(shù)論證；制作技巧

進行室內(nèi)微小飛機模型的設(shè)計與制作，包含了設(shè)計理念、技術(shù)論證、制作技巧等的研究，通過有趣的實踐活動，對室內(nèi)模型滑翔機、紙飛機的工作原理等加以分析，理論與實際相互結(jié)合，動手與動腦并重，使得課程的學(xué)習(xí)充滿了趣味性和科學(xué)性。室內(nèi)微小飛機模型制作難度適中、成本較低、尺寸小，適合用于航?？破栈顒又?，對于提高學(xué)習(xí)者的設(shè)計水平具有促進作用。

1 CAD建模

微型模型飛機為固定翼，適合在室內(nèi)飛行，可平放在掌心，遙控距離為20 m，模型的布局不盡相同，有單翼機、雙翼機、聯(lián)翼機等，所有的模型飛機的骨架采用了碳纖維材質(zhì)、EPP泡沫板、塑料薄膜等輕質(zhì)材料，動力為3.7 V鋰電池，發(fā)動機為空心杯電機，直徑在6 mm。

采用CAD建模技術(shù)是進行飛機設(shè)計和制作的必然步驟。對于模型飛機進行涉及，要考慮模型的造型以及飛行性能。采用繪圖軟件的方式時要注意，相比于普通的飛機建模，對于微型模型飛機的建模要注重曲線和圓弧，在美觀和性能之間做好平衡。在進行模型飛機的建模的初期階段，對于設(shè)計模型的起飛重量、機身長度、發(fā)動機、電磁舵機等的參數(shù)進行了測量，以此為設(shè)計依據(jù)，確定出整體的布局和構(gòu)型，然后在電腦上進行全機制圖。

2 確定結(jié)構(gòu)和尺寸

室內(nèi)模型飛機的結(jié)構(gòu)和尺寸以“輕和小”為特征，每架小飛機的質(zhì)量非常小，尺寸最大的翼展也僅有25 cm，機身長度為21 cm，起飛重量為20 g，配備的螺旋槳直徑為11 cm。所有的模型飛機的升降舵和方向舵適用微型小電磁舵機驅(qū)動，磁芯為圓柱形小磁鐵，線圈內(nèi)徑為5 mm，直徑為3 mm。雖尺寸小，但是微型飛機的氣動力、推力等數(shù)值也是要符合科學(xué)要求的。比如推力數(shù)據(jù)的確定、升力和阻力的計算等，要使用氣動軟件進行估算。對氣動設(shè)計進行計算時，對微型飛機的尺寸、質(zhì)量、飛行高度、飛行距離等信息均要進行獲取。利用基于Java技術(shù)的開放性網(wǎng)絡(luò)在線運行程序得到微型飛機的近距離、側(cè)面飛行視圖等。通過軟件的設(shè)置和計算，調(diào)整微型飛機的長寬高的尺寸，系統(tǒng)提示出微型飛機的收線放線、骨架材質(zhì)等選項，比如骨架的材質(zhì)就有松木、塑料管等選項；設(shè)置俯仰角、收放線連接點的位置等，最終確定微型飛機的構(gòu)型和材料方案。

對于模型飛機的幾何形狀，最終定樣前，可以暫定機翼、尾翼均為矩形，圖紙中的一些尺寸或形狀還要適當(dāng)修正。平尾及垂尾翼主要是考慮“⊥”形組裝，根平尾與垂尾翼根尺寸相當(dāng)，d垂尾和弦長d平尾均統(tǒng)一取0.2L翼展，外形齊整。模型后半部分較重，其重心一般在距機翼前緣1/3弦長處，機翼前緣加裝電機與電容后，遵循所謂的“1/3弦線法則”，整機的重心部分——機頭取1/5機身長度，而非此前建議的1/9機身長度，這是模型飛機的正常布局，模型的重心較低，可用于安裝固定電容和電機。高度H翼臺取d機翼=0.13 L翼展。長度L翼臺=d機翼+L機身/5=0.36 L翼展，增加了整機的穩(wěn)定性。

3 動力測試

對室內(nèi)模型飛機進行動力測試，主要針對的是室內(nèi)模型飛機的發(fā)動機。微型有刷電機或空心杯電機是當(dāng)前室內(nèi)模型飛機的常見動力裝置。動力足夠大，模型飛機才能獲得一定的速度，產(chǎn)生升力。

進行測試的過程中，先要對發(fā)動機進行相關(guān)參數(shù)的獲取，比如微型有刷電機KV值為2300，質(zhì)量為11 g，最大工作電流為7.5A。進行動力測定時，可以將螺旋槳固定在AOB搖臂上，下方放置數(shù)字電子臺秤。接通恒定電壓之后，將遙控器油門退下，使得電機產(chǎn)生水平拉力。拉力通過搖臂進行傳導(dǎo)，電子秤讀取拉力數(shù)值。動力可以使用電風(fēng)扇，風(fēng)速使用風(fēng)速儀測量。通過測試，可以得到拉力測試的數(shù)據(jù)。根據(jù)相對運動的原理，得出近似模型飛機的實際飛行速度。

4 升力和阻力的確定

經(jīng)過估算和測試，對模型飛機的電機拉力曲線以及飛機的構(gòu)型進行確定之后，通過軟件確定整體飛機的阻力和升力，得到二者的拉力數(shù)據(jù)、升力與整機質(zhì)量的平衡關(guān)系等，進而對模型飛機的飛行質(zhì)量和飛機動力的控制范圍進行掌控。以美國NASA官網(wǎng)上的簡易機翼氣動性能虛擬測試軟件在升力和阻力上的測試方法為例，該方法可對升力天平和阻力天平進行計算，鼠標是控制測試命令的關(guān)鍵，最終得到了整機的阻力系數(shù)數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進行簡要分析，比如在碳桿蒙皮室內(nèi)模型飛機平面圖的繪制中，對模型的機翼面積、翼展、弦長等均進行了精確測定，按照慣例，整機的重心應(yīng)在距離機翼前緣的1/4的弦長部分，最終重心與平尾和垂尾的距離基本相等。由于實驗中受到了一定的因素的干擾產(chǎn)生了具有偏差的數(shù)據(jù)，因此，使得曲線發(fā)生了較大的起伏。

在計算升級阻比時，可以運用模型升力和阻力系數(shù)的計算，得到相關(guān)的曲線，比如設(shè)定固定翼飛機時，最大升阻比對應(yīng)的速度等于巡航的速度，因此，通過該機升阻比體現(xiàn)出來的經(jīng)濟效能，能得出模型飛機的理想巡航迎角。

5 尾容量與機翼上的反角

經(jīng)過多次的無動力拋投和滑翔試驗，對室內(nèi)模型飛機進行了設(shè)備位置的調(diào)整，包括移動電池的位置、接收機的位置等，以提高整架模型飛機的穩(wěn)定性。

尾容量屬于無量綱的參數(shù)表征，由飛機的垂尾和平尾以及俯仰穩(wěn)定性構(gòu)成。資料顯示，常規(guī)微型飛機的尾容量的范圍，平尾為0.4～1.1，垂尾為0.05～0.13.

機翼上反角的主要作用在提高模型飛機饒縱軸的穩(wěn)定性，如果室內(nèi)模型飛機有副翼，則可以考慮氣動外形保持完整，將反角設(shè)置在4°～6°；如果室內(nèi)模型飛機沒有副翼，則反角應(yīng)增大到 7°～10°。

6 飛行航時

在進行室內(nèi)模型飛機的設(shè)計時，電源一般采用3.7 V、110 mAh鋰電池。經(jīng)過這一電源的設(shè)置，模型的穩(wěn)定電壓用于螺旋槳供電，動力系統(tǒng)直吹速度為0～4.5 m/s。

7 原材料與元件的特性

微型模型飛機的動力系統(tǒng)由導(dǎo)線插頭、空心杯電機、超級電容、螺旋槳等組成，這些元件均采用高精度電子秤加以實測，模型結(jié)構(gòu)中機翼和垂尾、平尾使用吹塑紙制作，機身連桿為碳纖桿。另外，輔助材料也要使用到，包括雙面膠、透明膠帶等，用于固定和黏結(jié)機翼。整體機型只做好后還要進行修形和優(yōu)化，減少誘導(dǎo)阻力，將平尾機翼尖端改成半橢圓形，或改成帶后掠角的梯形機翼。而矩形翼臺也可以修改為不規(guī)則四邊形，以提高模型飛機的縱向穩(wěn)定性。

8 結(jié)束語

通過對微型模型飛機的性能等方面的全面測試，得到了動力系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)以及飛機模型的制作步驟。期望上述方法能夠為航模愛好者所用，為制作更多超級電容的微型模型飛機提供參考。

［1］曲紹波.氣動彈性模型鉸鏈力矩測量結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析［D］.大連：大連理工大學(xué)，2014.

［2］孟西西.機場跑道微小障礙物圖像模式識別系統(tǒng)研究與設(shè)計［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2015.

［3］歐朝，楊勝榮，毛仲君，等.模型飛機微小型起落架液壓系統(tǒng)設(shè)計［J］.液壓與氣動，2015（03）.

［4］謝南杰.基于微顫振的機翼早期微小故障頻域檢測方法研究［D］.廈門：廈門大學(xué)，2016.

TN873

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.135

2095－6835（2018）02－0135－02

張思楠〕