我来当总师

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对大多数人来说，飞机设计师是一个陌生的职业，即使从事飞机设计领域的人员，能全程参与设计、制造、试飞定型的也很少。因为飞机设计是一项复杂的系统工程，需要大量人员通力协作，大部分人只能承担其中的一部分工作。

2003年，南京航空航天大学对飞行器设计与工程专业本科毕业设计模式进行了改革，设置“新概念小型电动遥控模型飞机设计制作试飞”项目。要求学生用设计飞机的理念与流程，团队合作完成一架新概念小型电动遥控模型飞机的设计、制作和试飞任务。其过程涉及气动布局、结构、飞行力学、动力与控制系统、制造工艺等多方面知识，着实可过一把飞机设计“总师”瘾。

2012年参与该项目的本科生完成了4架模型：作战无人机（图1）、缩比模型运动机（图2）、大展弦比连接翼模型飞机和弹射起飞模型飞机（图3、图4）。

一、设计

确定选题后，先要分别对模型进行概念设计、初步设计和详细设计。

概念设计时，根据毕设选题的要求对模型飞机进行全面的构思，形成基本概念，并草拟出一个或几个可满足该概念的方案，即：初步选定模型飞机的构型、气动布局及主要参数；选定模型发动机和主要机载设备；绘制模型飞机的三面草图，并考虑其总体布置方案、初步评估飞行性能，检查是否符合给定的指标。

以连接翼模型飞机为例，在该阶段学生们对模型的不同构型进行了总体设计和筛选，得出了3种设计方案：（1）后翼与前翼等长，二者在翼尖处连接；（2）后翼在前翼70%展长处连接；（3）后翼在前翼的55%展长处连接， 前者展长是后者的55%。

通过软件计算分析，并查阅国内、外相关论文，得到如下结论：在其他性能相同的前提下，前2种方案的升阻比几乎相等，而第3种方案的升阻比比它们小约10%，于是首先淘汰第3种。此外，当连接点位于前翼70%处，模型的重量最小。这是因为采用该连接方式，外翼未形成大悬臂翼，且翼尖的载荷最小，结构重量轻。根据上述分析，最终选择第2种方案，并绘制出模型飞机的轴视图及三视草图（图5）。

初步设计主要是对模型的气动外形、结构、动力和操纵系统及纵向静稳定性进行分析，并计算重量、重心位置。其中气动外形的设计与分析是重点。

气动性能是设计一架模型飞机首先要考虑的因素，其对模型的可操纵性、稳定性影响都很大。通过气动分析软件，可以分析出模型飞机的升阻特性、力矩特性等气动性能，计算出气动焦点，确定重心范围等。最后根据设计规范，修改模型飞机不合适的地方。

模型飞机是一种低空、低速、低雷诺数的飞行器，因此可使用美国麻省理工学院开发的AVL气动分析软件对其进行气动分析。这款软件的特点是占用内存小、运行速度快。若想获得更精确的结果，也可用国际上流行的Fluent等商用流体力学分析计算软件（图6）。

详细设计阶段主要进行结构设计（图7），包括机翼、机身、起落架等部件的设计，及关键部位的加强。完成后，绘出模型飞机各个部件及各系统的总图、装配图和零件图。在初步设计的基础上改进全机，给机翼、机身、尾翼和起落架等部位减重，进一步优化各部的连接和配合。

完成结构设计后，还要使用现代科技方法对模型进行强度校核。

二、制作

在制作阶段，不但可展示模型的设计效果，还可进一步找出不足，尽早改进。

4架模型飞机的制作工艺各有特色。作战无人机、缩比模型运动机使用玻纤材料制作机翼和机身外壳；大展弦比连接翼模型飞机用铝合金材料制作翼梁，以承受机翼的较大弯矩；弹射模型飞机的特色就在于其弹射机构。

1.作战无人机

选择合适的机体截面。将已设计好的模型用CATIA软件打开，选择关键位置的截面形状并导出CAD图；用激光切割机切出模板（图8），并画出等百分线。

用聚氨酯泡沫板制作模具。按尺寸切割好泡沫板后，用腻子将模板粘在上面（图9），并划出等百分线。粘合时注意，腻子不要超出模板边缘，以方便后续打磨泡沫板。

粗加工泡沫板，用锯锯掉多余的部分，使模型初显大致轮廓（图10）。

用砂棒沿等百分线继续打磨泡沫板（图11），并用刨子去掉多余部分，再用150号砂纸反复打磨（图12），直至模具上表面达到理想效果。

为保证整机气动外形的加工精度，制作模板下表面前，先仔细打磨机翼和机身前缘部分（图13）。

将调好的腻子刷在模型表面（腻子中树脂与滑石粉的比例自定，但建议最好调得粘稠些，刮腻子前还需加1.5%～2%的固化剂）；待腻子干后，用150号砂纸打磨，填补凹坑；重复以上步骤，直至模具表面光滑（图14）。

将模具粘在玻璃基座上后，用纸胶带缠绕机翼和机身的前、后缘及侧面（图15），以免后续涂树脂时滴到模具下表面。 用毛巾将脱模蜡抹匀在模具表面，反复2次；再用毛巾蘸液态脱模剂涂匀（图16）；待晾干后，再涂一层，反复2～3层即可。

模具做好后，开始制作模型。在模具上刷一层环氧树脂胶（环氧树脂与固化剂的比例为4∶1），然后铺0.1mm厚的高强度玻纤布（图17），并用刮板反复涂刮（图18），使玻纤布与环氧树脂胶充分融合，并紧贴模板。

用同样方法加工进气道上盖（图19）。

约6小时后，树脂固化，即可脱模。脱模前，用360号或400号砂纸再次打磨机壳，使其更光滑（图20）。

模型下表面机壳的制作方法与上表面机壳相同。全部制作完成后，用剪刀或角向打磨机修剪边缘，最终组装好模型。

2.缩比模型运动机

缩比模型运动机的机身形状较复杂，外壳也由玻纤材料制作。

首先制作模具。参照设计图，用层板做出机身外形框架（图21）；将聚氨酯泡沫板切割成合适小块，填进外形框架的空格内（图22）；用砂纸仔细打磨泡沫板，直至达到理想形状（图23）；在模具上涂抹腻子并打磨光滑后，涂好脱模剂。其过程与制作作战无人机模具的步骤一样。

根据机身外形，裁剪合适的玻纤布做出机身外壳。将机身外壳与隔框组装在一起（图24）。最后安装好机翼及其他电子设备（图25）。

3.大展弦比连接翼模型飞机

由于该模型的展弦比高达20，因此翼根处的弯矩很大。考虑到强度及加工方便，在关键部位选用了金属材料制作。

前翼70%内段梁和整个后翼梁用1mm厚铝材制作。翼肋直接粘接在铝制矩形梁上。由于模型采用联结翼结构，因此前、后翼分别有30°后掠角和前掠角。为保证机翼是顺气流方向，翼肋与铝制翼梁呈60°夹角粘接（图26）。

翼根与机身的连接件采用了铝合金。这样很容易实现前翼30°后掠角、3°上反角，后翼30°前掠角、4°下反角的设计目标（图27～图29）。

4. 弹射起飞模型飞机

该模型的气动布局普通，但对结构设计的要求高。因为模型弹射时过载很大，需有很高的强度保证自身的结构不受损。

弹射架的设计也十分考验学生的能力。它由5部分组成：导轨、滑块、支架、U形槽和锁钩。起飞时，模型飞机放在拉紧弹簧的弹射架上，前起落架与滑块固定在一起（图30）。队员通过一根自行车刹车线控制击发弹簧后（图31），滑块拉动模型一起快速前滑，达到起飞速度后，模型升空。

设计制作滑块时，要求精度和可靠性要高。经过反复比较，最终选择了简单可靠的滑动方式。材料选择的是氟塑料，它具有良好的耐磨性、自性和较低摩擦系数。此外，还在弹射架上设计了一套防止误弹射的机构，增加了安全性。

三、试飞

由于作战无人机选用的起落架钢丝较细，且是可收放式设计，强度不够，模型滑跑时出现了严重的摆振现象。但因为飞翼布局的机身能产生较大升力，在操纵手的精准操纵下，模型全速滑跑二三十米后轻轻抬头，离地升空了。

模型继续前飞一段距离，积累了足够速度和高度后，开始转弯。模型在空中的操纵性不错，暗色调的外形也颇有几分现代无人机的特点。飞了几圈后，操纵手操控其安全降落（图32）。

缩比模型运动机和大展弦比连接翼模型飞机试飞时遇到了相同问题：模型不能产生足够的抬头力矩，虽然滑跑了很长距离（图33），且达到了起飞速度，但就是无法抬头升空，甚至模型拉起离地后还会重新拍到地面上。

究其原因，模型的纵向稳定裕度过大，重心严重靠前。后来通过在机尾加大量配重平衡，模型终于起飞了（图34），但是这种做法大大降低了飞行性能。

弹射起飞模型飞机首先在地面滑跑起飞，过程十分顺利。随后弹射起飞时，模型却被弹射架卡住，向右侧歪去，险些损坏。仔细检查后发现，弹射架上主机轮导轨槽过深，导致弹射时其侧面与机轮接触，产生了很大滑动摩擦力。随后，在槽底垫上一层轻木条，弹射起飞成功（图35）。

用设计飞机的理念，制作一架模型，对新手来说虽然十分艰难，但这一过程也充满了乐趣，对飞行器设计专业的学生将来从事航空领域的工作更是受益匪浅。