室内微小模型飞机的设计与制作

    进行室内微小飞机模型的设计与制作，包含了设计理念、技术论证、制作技巧等的研究，通过有趣的实践活动，对室内模型滑翔机、纸飞机的工作原理等加以分析，理论与实际相互结合，动手与动脑并重，使得课程的学习充满了趣味性和科学性。室内微小飞机模型制作难度适中、成本较低、尺寸小，适合用于航模科普活动中，对于提高学习者的设计水平具有促进作用。

1  CAD建模

微型模型飞机为固定翼，适合在室内飞行，可平放在掌心，遥控距离为20 m，模型的布局不尽相同，有单翼机、双翼机、联翼机等，所有的模型飞机的骨架采用了碳纤维材质、EPP泡沫板、塑料薄膜等轻质材料，动力为3.7 V锂电池，发动机为空心杯电机，直径在6 mm。

采用CAD建模技术是进行飞机设计和制作的必然步骤。对于模型飞机进行涉及，要考虑模型的造型以及飞行性能。采用绘图软件的方式时要注意，相比于普通的飞机建模，对于微型模型飞机的建模要注重曲线和圆弧，在美观和性能之间做好平衡。在进行模型飞机的建模的初期阶段，对于设计模型的起飞重量、机身长度、发动机、电磁舵机等的参数进行了测量，以此为设计依据，确定出整体的布局和构型，然后在电脑上进行全机制图。

2  确定结构和尺寸

室内模型飞机的结构和尺寸以“轻和小”为特征，每架小飞机的质量非常小，尺寸最大的翼展也仅有25 cm，机身长度为21 cm，起飞重量为20 g，配备的螺旋桨直径为11 cm。所有的模型飞机的升降舵和方向舵适用微型小电磁舵机驱动，磁芯为圆柱形小磁铁，线圈内径为5 mm，直径为3 mm。虽尺寸小，但是微型飞机的气动力、推力等数值也是要符合科学要求的。比如推力数据的确定、升力和阻力的计算等，要使用气动软件进行估算。对气动设计进行计算时，对微型飞机的尺寸、质量、飞行高度、飞行距离等信息均要进行获取。利用基于Java技术的开放性网络在线运行程序得到微型飞机的近距离、侧面飞行视图等。通过软件的设置和计算，调整微型飞机的长宽高的尺寸，系统提示出微型飞机的收线放线、骨架材质等选项，比如骨架的材质就有松木、塑料管等选项；设置俯仰角、收放线连接点的位置等，最终确定微型飞机的构型和材料方案。

对于模型飞机的几何形状，最终定样前，可以暂定机翼、尾翼均为矩形，图纸中的一些尺寸或形状还要适当修正。平尾及垂尾翼主要是考虑“⊥”形组装，根平尾与垂尾翼根尺寸相当，d垂尾和弦长d平尾均统一取0.2L翼展，外形齐整。模型后半部分较重，其重心一般在距机翼前缘1/3弦长处，机翼前缘加装电机与电容后，遵循所谓的“1/3弦线法则”，整机的重心部分——机头取1/5机身长度，而非此前建议的1/9机身长度，这是模型飞机的正常布局，模型的重心较低，可用于安装固定电容和电机。高度H翼台取d机翼=0.13 L翼展。长度L翼台= d机翼+ L机身/5=0.36 L翼展，增加了整机的稳定性。

3  动力测试

对室内模型飞机进行动力测试，主要针对的是室内模型飞机的发动机。微型有刷电机或空心杯电机是当前室内模型飞机的常见动力装置。动力足够大，模型飞机才能获得一定的速度，产生升力。

进行测试的过程中，先要对发动机进行相关参数的获取，比如微型有刷电机KV值为2300，质量为11 g，最大工作电流为7.5 A。进行动力测定时，可以将螺旋桨固定在AOB摇臂上，下方放置数字电子台秤。接通恒定电压之后，将遥控器油门退下，使得电机产生水平拉力。拉力通过摇臂进行传导，电子秤读取拉力数值。动力可以使用电风扇，风速使用风速仪测量。通过测试，可以得到拉力测试的数据。根据相对运动的原理，得出近似模型飞机的实际飞行速度。

4  升力和阻力的确定

经过估算和测试，对模型飞机的电机拉力曲线以及飞机的构型进行确定之后，通过软件确定整体飞机的阻力和升力，得到二者的拉力数据、升力与整机质量的平衡关系等，进而对模型飞机的飞行质量和飞机动力的控制范围进行掌控。以美国NASA官网上的简易机翼气动性能虚拟测试软件在升力和阻力上的测试方法为例，该方法可对升力天平和阻力天平进行计算，鼠标是控制测试命令的关键，最终得到了整机的阻力系数数据。对这些数据进行简要分析，比如在碳杆蒙皮室内模型飞机平面图的绘制中，对模型的机翼面积、翼展、弦长等均进行了精确测定，按照惯例，整机的重心应在距离机翼前缘的1/4的弦长部分，最终重心与平尾和垂尾的距离基本相等。由于实验中受到了一定的因素的干扰产生了具有偏差的数据，因此，使得曲线发生了较大的起伏。

在计算升级阻比时，可以运用模型升力和阻力系数的计算，得到相关的曲线，比如设定固定翼飞机时，最大升阻比对应的速度等于巡航的速度，因此，通过该机升阻比体现出来的经济效能，能得出模型飞机的理想巡航迎角。

5  尾容量与机翼上的反角

经过多次的无动力抛投和滑翔试验，对室内模型飞机进行了设备位置的调整，包括移动电池的位置、接收机的位置等，以提高整架模型飞机的稳定性。

尾容量属于无量纲的参数表征，由飞机的垂尾和平尾以及俯仰稳定性构成。资料显示，常规微型飞机的尾容量的范围，平尾为0.4～1.1，垂尾为0.05～0.13.

机翼上反角的主要作用在提高模型飞机饶纵轴的稳定性，如果室内模型飞机有副翼，则可以考虑气动外形保持完整，将反角设置在4°～6°；如果室内模型飞机没有副翼，则反角应增大到7°～10°。

6  飞行航时

在进行室内模型飞机的设计时，电源一般采用3.7 V、110 mAh锂电池。经过这一电源的设置，模型的稳定电压用于螺旋桨供电，动力系统直吹速度为0～4.5 m/s。

7  原材料与元件的特性

微型模型飞机的动力系统由导线插头、空心杯电机、超级电容、螺旋桨等组成，这些元件均采用高精度电子秤加以实测，模型结构中机翼和垂尾、平尾使用吹塑纸制作，机身连杆为碳纤杆。另外，辅助材料也要使用到，包括双面胶、透明胶带等，用于固定和黏结机翼。整体机型只做好后还要进行修形和优化，减少诱导阻力，将平尾机翼尖端改成半椭圆形，或改成带后掠角的梯形机翼。而矩形翼台也可以修改为不规则四边形，以提高模型飞机的纵向稳定性。

8  结束语

通过对微型模型飞机的性能等方面的全面测试，得到了动力系统的性能数据以及飞机模型的制作步骤。期望上述方法能够为航模爱好者所用，为制作更多超级电容的微型模型飞机提供参考。

参考文献：

［1］曲绍波.气动弹性模型铰链力矩测量结构设计与分析［D］.大连：大连理工大学，2014.

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［3］欧朝，杨胜荣，毛仲君，等.模型飞机微小型起落架液压系统设计［J］.液压与气动，2015（03）.

［4］谢南杰.基于微颤振的机翼早期微小故障频域检测方法研究［D］.厦门：厦门大学，2016.

〔编辑：张思楠〕