水火箭無動(dòng)力滑翔機(jī)設(shè)計(jì)

王曉翔 王中賀

摘要：隨著航模運(yùn)動(dòng)的不斷發(fā)展，以中國國際飛行器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽為主的航模比賽獲得了人們的極大的關(guān)注。本文主要研究如何設(shè)計(jì)一款在滿足于競賽要求的情況下?lián)碛休^高飛行性能的無動(dòng)力滑翔機(jī)。

關(guān)鍵詞：無動(dòng)力;自主設(shè)計(jì);滿足競賽要求;

1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)競賽規(guī)則，模型水火箭需將無動(dòng)力滑翔機(jī)帶到一定的高度，水火箭與滑翔機(jī)分離，分離后水火箭以傘降方式落地，且留空時(shí)間大于10秒，滑翔機(jī)進(jìn)行無動(dòng)力滑翔飛行，在一定的時(shí)間內(nèi)在指定范圍著陸，最終以滑翔機(jī)留空時(shí)間和著陸定點(diǎn)距離來計(jì)算滑翔機(jī)部分得分。通過多次發(fā)射數(shù)據(jù)得到：滑翔機(jī)達(dá)到40米高度最佳，這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)滑翔機(jī)時(shí)要平衡強(qiáng)度和質(zhì)量的關(guān)系，減小上升過程中的阻力，以及如何保證飛機(jī)以較低的下沉率滑翔，同時(shí)要保證滑翔機(jī)在空中的穩(wěn)定性以及操縱性，在滿足以上條件后還要考慮滑翔機(jī)和水火箭在整個(gè)發(fā)射過程中的有效配合，減小滑翔機(jī)對(duì)于箭體的不利影響。有了初步的設(shè)計(jì)要求后，結(jié)合相關(guān)書籍以及平常積累的設(shè)計(jì)電動(dòng)滑翔機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)作出了定型。

2 滑翔機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)

2.1機(jī)翼翼型選擇

通過對(duì)滑翔機(jī)飛行狀態(tài)的分析，我們認(rèn)為本項(xiàng)目滑翔機(jī)機(jī)翼翼型要基本滿足以下條件：（1）低速的條件下有足夠的升力，且在一定的迎角變化范圍內(nèi)升阻比變化幅度較小。（2）考慮到環(huán)境因素，尤其是風(fēng)對(duì)飛行的影響飛機(jī)翼型要有一定的穿透性。（3）為減少滑翔機(jī)對(duì)水火箭的不利氣動(dòng)影響，機(jī)翼應(yīng)選用阻力小的翼型。

根據(jù)以上條件在翼型庫中選取出AG27、CLARK Y、MH32、MH46、MH18集中翼型進(jìn)行分析，其中雷諾數(shù)選取200000，主要觀察迎角范圍-10°-15°，經(jīng)過計(jì)算得到MH32翼型符合條件，因此選擇MH32翼型為滑翔機(jī)機(jī)翼翼型，且在4°左右翼型處于最大升阻比狀態(tài)，機(jī)翼安裝角設(shè)定在4°。

2.2機(jī)翼外形參數(shù)

機(jī)翼設(shè)計(jì)的第一步要確定機(jī)翼的平面形狀，考慮到制作時(shí)間以及制作難度，機(jī)翼平面形狀采用梯形機(jī)翼。機(jī)翼翼展確定為1m，翼根弦長Cr 為170mm，翼尖弦長Ct為150mm，經(jīng)計(jì)算展弦比λ為6.25。為使滑翔機(jī)擁有更好的橫側(cè)穩(wěn)定性，為滑翔機(jī)機(jī)翼加裝了上反角，經(jīng)過機(jī)翼分析軟件對(duì)幾種上反角角度進(jìn)行比對(duì)分析，最終將上反角設(shè)定在6°。

機(jī)翼幾何數(shù)據(jù)：機(jī)翼翼展：Lw=1m;機(jī)翼投影面積：Sw=0.159m2;后掠角：A=1.72°;上反角：ψ=6°;展弦比：λ=6.25;根梢比：n==1.13。

2.3 機(jī)翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)翼的整體要求有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以應(yīng)對(duì)在火箭發(fā)射瞬間的沖擊力，同時(shí)機(jī)翼的重量要盡可能的減輕。由于機(jī)翼后緣與火箭投放機(jī)構(gòu)接觸，在發(fā)射時(shí)會(huì)受到一定的沖擊力，因此選擇將機(jī)翼后緣緣條加寬。翼梁結(jié)構(gòu)采用雙層板對(duì)插的方式，在保證機(jī)翼強(qiáng)度的同時(shí)也減小了制作難度。前緣使用碳棒進(jìn)行固定。（機(jī)翼結(jié)構(gòu)圖，如圖1）

3 滑翔機(jī)尾翼設(shè)計(jì)

3.1 滑翔機(jī)水平尾翼設(shè)計(jì)

滑翔機(jī)在飛行過程中水平尾翼用于保證俯仰穩(wěn)定性以及控制飛行時(shí)的俯仰姿態(tài)。對(duì)于水平尾翼的設(shè)計(jì)，平尾尾容量是設(shè)計(jì)的主要因素。

按公式計(jì)算：

式中：水平尾翼面積：SHT=0.028m2;尾力臂：lHT=0.385m;機(jī)翼面積：SW=0.159m2;平均氣動(dòng)弦長：CA=0.16m

計(jì)算得：VHT=0.423

為減輕飛機(jī)重量且減少制作方面的難度平尾直接使用4mm輕木板切割制作。

3.2 滑翔機(jī)垂直尾翼設(shè)計(jì)

為保證滑翔機(jī)的穩(wěn)定性，飛行過程中主要通過方向舵來控制飛機(jī)轉(zhuǎn)彎，垂直尾翼保證其方向穩(wěn)定性、使其擁有良好的側(cè)風(fēng)飛行能力。

按下式計(jì)算：

式中：垂直尾翼面積：SVT=0.015m2;尾力臂lVT=0.49m;機(jī)翼面積SW=0.159m2;機(jī)翼翼展：LW=1m

計(jì)算得：VVT=0.046

由于滑翔機(jī)是機(jī)翼上表面緊挨箭體安裝，若采用常規(guī)的垂尾安裝方法，垂尾將與箭體接觸，容易在發(fā)射時(shí)產(chǎn)生碰撞導(dǎo)致垂尾損壞，因此垂直尾翼使用反裝及垂直尾翼翼面在機(jī)翼下的方式，這樣不僅防止在發(fā)射時(shí)垂尾損壞，還使滑翔機(jī)垂直尾翼充當(dāng)了水火箭尾翼起到了穩(wěn)定火箭飛行的作用。

由于在降落時(shí)垂直尾翼會(huì)接觸地面，垂尾材料就要求要有足夠的強(qiáng)度，垂尾選用2mm層板進(jìn)行切割制作。

4 滑翔機(jī)飛行試驗(yàn)

在制作完第一架試驗(yàn)機(jī)后，采用從高處手拋的方式來測試滑翔機(jī)操縱性能和穩(wěn)定性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)值，之后再將飛機(jī)安裝在水火箭上進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)以測試滑翔機(jī)留空時(shí)間是否滿足比賽要求。

在滑翔機(jī)高度達(dá)到40米高度左右后，進(jìn)行無動(dòng)力滑翔，留空時(shí)間可達(dá)到148秒，完全滿足比賽需求，且飛機(jī)的穩(wěn)定性良好，很大程度地降低了飛手的操縱難度。經(jīng)多次飛行試驗(yàn)得出結(jié)論：滑翔機(jī)性能表現(xiàn)良好，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果。（圖2為飛機(jī)等軸測視圖）

5 結(jié)語

經(jīng)過推算，當(dāng)展弦比增大到10時(shí)，飛機(jī)的滑翔性能會(huì)進(jìn)一步提升，但考慮到飛機(jī)飛行阻力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及發(fā)射沖力等因素，因此采用相對(duì)合適的小展弦比的方案。

參考文獻(xiàn)：

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[2]《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì)編.《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第10冊(cè)·結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000.