火箭助推滑翔機的飛行原理及應用*

汪杭輝 沈曉梅 呂錫婷 林穎恬 袁秀強

(嘉興學院建筑工程學院，浙江 嘉興 314001)

0 引言

火箭助推滑翔機制作與飛行屬于航空模型運動，是浙江省力學競賽項目。它不僅是一項單純的競技運動，而且包含豐富的工程技術理論和制作內容，需要制作者在掌握理論力學、材料力學、結構力學以及空氣動力學等相關力學知識的基礎上，通過設計與優化，輔助以精致的手工工藝進行的研究探索活動[1,2]。這項活動可以使大學生學習航空理論知識，培養動手操作能力，培養進取精神和競爭意識，從創新人才培養的角度來講，此類運動無疑是對鍛煉學生綜合素質、提高學生創新能力具有重要意義[3]。

項目以浙江省大學生力學競賽為背景，以火箭助推滑翔機模型制作流程為研究的最終目標，首先參考相關文獻，分析模型飛機在空中飛行過程中各階段的受力特征，獲得模型飛機在發射后到落地全過程中的物理力學模型，基于此才能找到關鍵影響因素，為進一步的模型設計奠定良好的基礎；根據上述理論，學生進行模型制作及相關調試，最終獲得基于飛行理論的火箭助推滑翔機模型。

1 火箭助推滑翔機飛行過程的受力分析

火箭助推滑翔機飛行過程的受力分析見圖1。

參考相關文獻[4][5]，可知助推階段的運動微分方程：

(1)

其中，T為發動機推力；D為阻力；M為模型質量；g為重力加度；v為飛行速度；t為時間；CD為阻力系數;ρ為空氣密度;Aω為機翼面積。

速滑行階段的運動微分方程：

(2)

穩定滑翔階段速度：

(3)

其中，CL為空氣升力系數。

2 火箭助推滑翔機的設計與制作

設計與制作過程可以分為以下步驟：

第一步，模型飛機外形設計，主要包括機翼、尾翼和機身的尺寸確定。各部分內容依據上述相應的計算理論進行設計。

第二步，手工制作。這一步主要涉及材料的裁切、黏貼及打磨。此過程中需要注意以下幾個方面：裁切過程中注意根據木材的紋理方向進行精細化的切割；黏貼過程中注意各個部件的對位準確性，爭取一次定位準確，避免出現反復黏貼的情況；打磨過程要嚴格根據形狀尺寸進行，同時注意木材本身紋理的方向、注意保持設計的流線性，減少棱角，從而提高雷諾數。

第三步，現場調試。通過手擲試飛調整好重心位置。通過發射飛行獲得不同環境下發射高度、留空時間、飛行姿態等測試數據。

第四步，優化方案。在對現場試驗獲得的飛行數據進行分析比對的基礎上，確定出最終形狀尺寸，見圖2。

3 結語

通過以上分析，在明晰火箭助推滑翔機在不同階段飛行理論的基礎上，通過模型設計、制作、調試、優化四個階段，制作出理想的滑翔機模型。基于理論進行模型制作的制作流程，有助于在火箭助推滑翔機比賽中取得好成績，還能進一步鍛煉學生運用理論結合實際的能力，對提高學生的創新能力具有重要意義。