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(jī)的設(shè)計(jì)與制作

鄭中華

（東莞市虎門中學(xué) 廣東 東莞 523900）

微型飛機(jī)的設(shè)計(jì)與制作是深受人們喜愛的課程。通過微型飛機(jī)設(shè)計(jì)制作實(shí)踐課程，可以對(duì)室內(nèi)微小飛機(jī)設(shè)計(jì)與制作之性能、3D打印技術(shù)、動(dòng)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(duì)于未來踏上科學(xué)研究的道路大有裨益。

室內(nèi)模型飛機(jī)；微小模型；技術(shù)論證；制作技巧

進(jìn)行室內(nèi)微小飛機(jī)模型的設(shè)計(jì)與制作，包含了設(shè)計(jì)理念、技術(shù)論證、制作技巧等的研究，通過有趣的實(shí)踐活動(dòng)，對(duì)室內(nèi)模型滑翔機(jī)、紙飛機(jī)的工作原理等加以分析，理論與實(shí)際相互結(jié)合，動(dòng)手與動(dòng)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(jī)模型制作難度適中、成本較低、尺寸小，適合用于航?？破栈顒?dòng)中，對(duì)于提高學(xué)習(xí)者的設(shè)計(jì)水平具有促進(jìn)作用。

1 CAD建模

微型模型飛機(jī)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(jī)、雙翼機(jī)、聯(lián)翼機(jī)等，所有的模型飛機(jī)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(dòng)力為3.7 V鋰電池，發(fā)動(dòng)機(jī)為空心杯電機(jī)，直徑在6 mm。

采用CAD建模技術(shù)是進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)和制作的必然步驟。對(duì)于模型飛機(jī)進(jìn)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(shí)要注意，相比于普通的飛機(jī)建模，對(duì)于微型模型飛機(jī)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(jìn)行模型飛機(jī)的建模的初期階段，對(duì)于設(shè)計(jì)模型的起飛重量、機(jī)身長(zhǎng)度、發(fā)動(dòng)機(jī)、電磁舵機(jī)等的參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，以此為設(shè)計(jì)依據(jù)，確定出整體的布局和構(gòu)型，然后在電腦上進(jìn)行全機(jī)制圖。

2 確定結(jié)構(gòu)和尺寸

室內(nèi)模型飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和尺寸以“輕和小”為特征，每架小飛機(jī)的質(zhì)量非常小，尺寸最大的翼展也僅有25 cm，機(jī)身長(zhǎng)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(jī)的升降舵和方向舵適用微型小電磁舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，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(jī)的氣動(dòng)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(jì)算等，要使用氣動(dòng)軟件進(jìn)行估算。對(duì)氣動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，對(duì)微型飛機(jī)的尺寸、質(zhì)量、飛行高度、飛行距離等信息均要進(jìn)行獲取。利用基于Java技術(shù)的開放性網(wǎng)絡(luò)在線運(yùn)行程序得到微型飛機(jī)的近距離、側(cè)面飛行視圖等。通過軟件的設(shè)置和計(jì)算，調(diào)整微型飛機(jī)的長(zhǎng)寬高的尺寸，系統(tǒng)提示出微型飛機(jī)的收線放線、骨架材質(zhì)等選項(xiàng)，比如骨架的材質(zhì)就有松木、塑料管等選項(xiàng)；設(shè)置俯仰角、收放線連接點(diǎn)的位置等，最終確定微型飛機(jī)的構(gòu)型和材料方案。

對(duì)于模型飛機(jī)的幾何形狀，最終定樣前，可以暫定機(jī)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(zhǎng)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(jī)翼前緣1/3弦長(zhǎng)處，機(jī)翼前緣加裝電機(jī)與電容后，遵循所謂的“1/3弦線法則”，整機(jī)的重心部分——機(jī)頭取1/5機(jī)身長(zhǎng)度，而非此前建議的1/9機(jī)身長(zhǎng)度，這是模型飛機(jī)的正常布局，模型的重心較低，可用于安裝固定電容和電機(jī)。高度H翼臺(tái)取d機(jī)翼=0.13 L翼展。長(zhǎng)度L翼臺(tái)=d機(jī)翼+L機(jī)身/5=0.36 L翼展，增加了整機(jī)的穩(wěn)定性。

3 動(dòng)力測(cè)試

對(duì)室內(nèi)模型飛機(jī)進(jìn)行動(dòng)力測(cè)試，主要針對(duì)的是室內(nèi)模型飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)。微型有刷電機(jī)或空心杯電機(jī)是當(dāng)前室內(nèi)模型飛機(jī)的常見動(dòng)力裝置。動(dòng)力足夠大，模型飛機(jī)才能獲得一定的速度，產(chǎn)生升力。

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

4 升力和阻力的確定

經(jīng)過估算和測(cè)試，對(duì)模型飛機(jī)的電機(jī)拉力曲線以及飛機(jī)的構(gòu)型進(jìn)行確定之后，通過軟件確定整體飛機(jī)的阻力和升力，得到二者的拉力數(shù)據(jù)、升力與整機(jī)質(zhì)量的平衡關(guān)系等，進(jìn)而對(duì)模型飛機(jī)的飛行質(zhì)量和飛機(jī)動(dòng)力的控制范圍進(jìn)行掌控。以美國(guó)NASA官網(wǎng)上的簡(jiǎn)易機(jī)翼氣動(dòng)性能虛擬測(cè)試軟件在升力和阻力上的測(cè)試方法為例，該方法可對(duì)升力天平和阻力天平進(jìn)行計(jì)算，鼠標(biāo)是控制測(cè)試命令的關(guān)鍵，最終得到了整機(jī)的阻力系數(shù)數(shù)據(jù)。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，比如在碳桿蒙皮室內(nèi)模型飛機(jī)平面圖的繪制中，對(duì)模型的機(jī)翼面積、翼展、弦長(zhǎng)等均進(jìn)行了精確測(cè)定，按照慣例，整機(jī)的重心應(yīng)在距離機(jī)翼前緣的1/4的弦長(zhǎng)部分，最終重心與平尾和垂尾的距離基本相等。由于實(shí)驗(yàn)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(jì)算升級(jí)阻比時(shí)，可以運(yùn)用模型升力和阻力系數(shù)的計(jì)算，得到相關(guān)的曲線，比如設(shè)定固定翼飛機(jī)時(shí)，最大升阻比對(duì)應(yīng)的速度等于巡航的速度，因此，通過該機(jī)升阻比體現(xiàn)出來的經(jīng)濟(jì)效能，能得出模型飛機(jī)的理想巡航迎角。

5 尾容量與機(jī)翼上的反角

經(jīng)過多次的無動(dòng)力拋投和滑翔試驗(yàn)，對(duì)室內(nèi)模型飛機(jī)進(jìn)行了設(shè)備位置的調(diào)整，包括移動(dòng)電池的位置、接收機(jī)的位置等，以提高整架模型飛機(jī)的穩(wěn)定性。

尾容量屬于無量綱的參數(shù)表征，由飛機(jī)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(jī)的尾容量的范圍，平尾為0.4～1.1，垂尾為0.05～0.13.

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

6 飛行航時(shí)

在進(jìn)行室內(nèi)模型飛機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)，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(dòng)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(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)由導(dǎo)線插頭、空心杯電機(jī)、超級(jí)電容、螺旋槳等組成，這些元件均采用高精度電子秤加以實(shí)測(cè)，模型結(jié)構(gòu)中機(jī)翼和垂尾、平尾使用吹塑紙制作，機(jī)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(jī)翼。整體機(jī)型只做好后還要進(jìn)行修形和優(yōu)化，減少誘導(dǎo)阻力，將平尾機(jī)翼尖端改成半橢圓形，或改成帶后掠角的梯形機(jī)翼。而矩形翼臺(tái)也可以修改為不規(guī)則四邊形，以提高模型飛機(jī)的縱向穩(wěn)定性。

8 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)微型模型飛機(jī)的性能等方面的全面測(cè)試，得到了動(dòng)力系統(tǒng)的性能數(shù)據(jù)以及飛機(jī)模型的制作步驟。期望上述方法能夠?yàn)楹侥酆谜咚茫瑸橹谱鞲喑?jí)電容的微型模型飛機(jī)提供參考。

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10.15913/j.cnki.kjycx.2018.02.135

2095－6835（2018）02－0135－02

張思楠〕