太阳能模型飞机参赛之路

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2012年科研类全国航空航天模型锦标赛遥控太阳能模型飞机载重飞行项目在湖北省荆门市漳河水库机场举行。相比2011年的牵引起飞，2012年比赛规定，参赛机必须滑跑起飞。这对太阳能模型飞机的结构、气动效率、起落架等都提出了更高要求。加之荆门地区空气湿度大、云多，平均照度偏低，太阳能电池转换的电能少，比赛难度增加很多。虽然深知参赛之路艰难，但我们还是决定直面挑战，刻苦攻关。

设计与制作机体

2012年5月，开始集思广益设计参赛机的气动外形。首先想到的是双尾撑布局（图1）。这种布局不仅可避免最大弯矩的集中，而且能在一定程度上减小最大弯矩，有效提高整机强度与刚性。但经过进一步论证后，我们最终放弃了该方案，原因是：虽然能提高机体强度，但相比常规布局的模型飞机，双尾撑模型不但较重，而且机翼、双尾撑和平尾形成的矩形框架容易发生扭转变形，导致模型飞行时操控性变差，得不偿失。反复比较、权衡，最终我们选择了中规中矩的常规气动布局。

由于翼展对飞机的性能影响很大，因此设计制作了2架不同翼展的太阳能模型飞机。这样在比赛时可根据天气情况选择合适的模型飞机“应战”。

其中一架展弦比较大（图2），翼展、弦长（图3）分别达到了5040mm和422mm，沿翼弦方向可铺设2排太阳能电池板，整个机翼铺设了60块太阳能电池板；另一架模型展弦比稍小，翼展、弦长分别为4374mm和558mm，沿翼弦可铺设3排电池块，机翼上共铺设78块电池板。这两架太阳能模型飞机各有利弊：前者铺设的太阳能电池板少，虽然输出功率低，但整机起飞重量小，气动效率高；后者铺设了更多的电池板，输出功率相对较大（图4），但起飞重量也大、气动效率较低。

铺设太阳能电池板

将太阳能电池板铺设在机翼表面，不但破坏翼型、增加飞行阻力、降低气动效率，而且电池板易沾染灰尘杂物，表面易氧化、破裂，给模型的装配、运输带来很大不变。为此，我们将太阳能电池板设计装在了机翼内部，并在机翼上表面蒙制了高透明度的蒙皮，以尽可能增加照射在电池板上的阳光。

根据以往经验，若电池板与机翼直接硬性连接，模型飞行时发生的弯扭变形（飞机飞行时的弯扭变形不可避免，如波音747停放和巡航飞行时翼尖就有1.7m的垂直位移），会使太阳能电池板发生脆性断裂。

因此，我们在电池板的铺设上做了一些改进：首先设计确定前、后翼梁和2片相邻翼肋的间距，使4者围成一个整齐的格框（尺寸很关键，应略大于电池片，当机翼在空中发生弯扭变形时，既不会挤压到电池板，也不会因过大而导致电池板脱落，图5）；其次是，穿过翼肋拉紧2条凯芙拉线（图6），将电池板平放在线上后（图7、图8），用少许胶水将二者粘在一起；最后铺上焊带并焊接牢固，用万用表检测连接是否正常，无误后再给骨架蒙上蒙皮。

我们还在模型飞机上应用了最大功率跟踪系统（图9）和大盘无刷电机（图10），与太阳能电池板相匹配。选择螺旋桨时，也做了一系列测试：设定60W恒定输出功率，分别在静态和8m/s空速下，选择不同的螺旋桨与电机相匹配。试验结果表明，在8m/s的空速条件下，规格分别为16×8、15×5和16×6.5碳纤燕尾桨的拉力相差很小，最终选择了16×6.5的螺旋桨。

有惊无险的试飞过程

模型飞机做好后，首先用锂电池作动力进行了飞行性能验证。此外，为验证新的太阳能电池板铺设方法是否可行，还分别在左、右机翼上面各铺设了3片电池板，以检查飞行是否对其造成影响。

样机试飞时发生了有惊无险的一幕。因为时间紧迫，来不及将模型运到更广阔的场地，所以是在空域条件并不太好的学校运动场内进行试飞。运动场周围有一圈茂密高大的梧桐树，模型飞机起飞后，径直向它们飞去。刚起飞的模型高度低、速度慢，不可能越过梧桐树，眼看就要撞上了，大家的心都提到了嗓子眼。紧急时刻，在操纵手的控制下，模型稍微抬头并慢慢转弯，随后开始盘旋上升，越过了梧桐树继续飞行。直到模型试飞完成，平稳落地后，大家才松了口气。

事后分析，这架模型能够及时转弯，主要是因为操纵手打方向舵时，20°的机翼上反翼尖有效防止了侧滑，才使其能稳定飞行。

模型降落后，仔细检查了铺设的6片电池板，均完好无损。模型飞机良好的操纵性和不错的电池板铺设法使大家备受鼓舞，充满信心赶制备机。

创造性使用自主驱动起落架

太阳能模型飞机滑跑起飞较困难，主要在于滑跑时阻力较大，但受制于电池板的输出功率，螺旋桨产生的拉力有限。如何更有效利用有限的输出功率，是模型飞机能否成功起飞的关键。为解决这一问题，大家提出了各种方案。如采用变桨距的方法，来提高螺旋桨驱动效率和模型的加速性能等。

经过认真思考，最终选择了一个简单且大胆的方案――滑跑时用机轮主动驱动模型：在机轮上安装一个电机，当模型在地面滑跑时，太阳能电池产生的电能直接输出给该电机，向开汽车一样，带动模型向前运动；当模型飞机在机轮电机的驱动下达到起飞速度升空的同时，电能的输出模式被切换，供给螺旋桨，成为模型飞机的驱动力。

根据理论分析，螺旋桨的能量转换效率很低，通常只有约30%，而机轮的能量转换效率可高达90%。在相同电能输入的情况下，用机轮驱动产生的动能是螺旋桨驱动的1.44倍，离地瞬间更高达2.08倍，产生的速度优势足以使模型离地升空。

由于这种方案没有先例，因此起落架的设计和制作是在不断摸索中完成的。

首先是起落架的布局。在前三点式布局中，我们先后尝试了前起兼驱动和转向、主起一侧机轮驱动-前轮转向等一系列方案。最终，受到“鹞”式战斗机的启发，采用了自行车式起落架布局：装在机翼两侧的起落架保持模型飞机的平衡（图11）；机身前端的起落架控制转向；重心后面的主起落架安装驱动电机。

起落架主要用碳纤杆制作。为防止碳纤杆受力过大开裂，还在其中塞入了轻木条，使它致密、不松动，并滴少许502胶水固定。此外，在碳纤支架上需要打孔部位用凯芙拉线平整而紧密地缠绕若干圈并勒紧，也滴少许502胶水粘牢，待胶干后再用电钻慢速打孔。

带动力的机轮不仅要承受模型飞机大部分的自重，而且在模型加速滑跑和降落时还会受到很大冲击，强度必须很大。因此制作过程中遇到了不少困难。首先是如何确定电机KV值与机轮直径的关系。起初，我们认为只要增加机轮直径，便可提高滑跑速度，于是在电机上套了一圈圆环形层板作机轮（图12），但实际效果并不理想。后来，经过反复试验，并参考所选电机的KV值，最终选择为大盘无刷电机箍上一圈海绵（图13），再涂胶水固定，效果不错。

固定带动力机轮的框架由厚3mm和2mm的层板制作。层板间除用快干胶水定位外，还均匀涂抹了环氧树脂胶，而且最外侧用凯芙拉线紧密缠绕并勒紧粘牢，以增加强度。层板框架和带动力机轮间通过滚动轴承相连（图14）。

这一创新的起落架做好后，便进行了滑跑试验（图15）。当操纵手推油门全力加速时，模型只用了几秒钟便达到了起飞速度。其良好的加速性超出了所有人的意料，也证明了这一大胆设计的成功。

值得一提的是，这款新型带动力起落架也赢得了评委们的青睐，在科技创新评比中获得了一等奖。

超越自我收获经验

赛前，我们在空旷场地对太阳能模型飞机进行了飞行测试（图16）。当阳光照度平均约在45000LUX时，模型飞机载重400g，轻松滑跑起飞（图17），并安全降落（图18）。但降落后发现有一片电池板被震碎，于是我们立刻更换了新电池板，并将两侧机翼的硬质合金机轮换成了PU材质的机轮，以减小降落时对电池板的冲击。

比赛当日，天气条件很不理想，照度只有约15000LUX。加上赛场跑道较粗糙，带动力的起落架颠颠簸簸，不能完全发挥作用。更不利的是，由于滑跑速度变低，模型飞机需要更大的迎角才能起飞，而我们模型的起落架很低，一旦迎角稍大，机尾便会与地面摩擦。万分情急之下，我们勉强将主驱动机轮增高，适度调整了机翼安装角，同时削去了因机尾摩擦损坏部分，装上一个小机轮。终于在第3次复飞时，模型飞机成功离地升空。

虽然在该项目上没有拿到名次，但从2011年的牵引起飞到2012年的自主滑跑起飞，而且大胆创造应用新型主动驱动起落架，我们又完成了一项挑战，超越了自我。

在赛场上，我们看到了西北工业大学、南昌航空航天大学等高校的优秀设计，见识了各种巧妙的设计方案和精湛的模型制作工艺，获益匪浅。事实上，这正是科研类航空航天模型锦标赛的意义所在――以此为平台，方便各高校和单位间的交流和学习，共同促进我国航空航天事业发展。