室内微小模型飞机的设计与制作(13)

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇室内微小模型飞机的设计与制作(13)范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

上一章，笔者以卡通羊模型飞机为例，通过CAD建模，得到了这架模型飞机的基本造型及主要部件尺寸；针对选用的A1504微型无刷电机+GWS5030螺旋桨动力系统，测试了其在7.4V恒定电压下、不同风速v时的拉力F，得到了F- v曲线；开展了气动分析，获得了整机升力系数CL、阻力系数CD及阻升比CD/CL随迎角α的变化曲线。

接下来，笔者将基于以上结论，进一步对卡通羊模型的性能进行分析，并介绍这架模型飞机的制作过程及调试试飞情况。

5.性能分析

（1）巡航迎角α巡

在空气动力学中，阻升比是指飞行器在同一迎角下阻力D与升力L或阻力系数CD与升力系数CL的比值。飞行器的阻升比CD/ CL越小，说明其空气动力性能越好，对飞行越有利，一般也会有较佳的爬升性能。在设计固定翼飞机时，通常都会使阻升比最小时的飞行速度等于设计巡航速度，以提升飞行器的经济性。

从CD/CL-α曲线可以看出，迎角在11.6°附近时，阻升比最小。因此，11.6°就是这架卡通羊模型飞机的理想巡航迎角α巡。此时，对应的升力系数CL=0.493、阻力系数CD=0.182。

（2）最大平飞速度与重量限制

根据升力L、阻力D的计算公式：

L=?ρCLS翼v? （1）

D=?ρCDS翼v? （2）

其中，ρ为空气密度，取1.205kg/m3，v为飞行速度。

将卡通羊模型飞机在巡航迎角 α巡=11.6°下的升力系数CL=0.493、阻力系数CD=0.182代入两公式，可得到其升力L、阻力D随飞行速度v的变化曲线。为便于分析，笔者将电机动拉力-风速（F-v）曲线也绘制在图中，并对该曲线进行外延。

由上述曲线图可知，当模型在巡航迎角下飞行时，随着飞行速度v的增加，阻力D快速增大，同时电机可用拉力F迅速下降。当飞行速度增大到6m/s后，电机可用拉力F降至17g以下，已小于模型飞行阻力D，动力开始变得不足。因此，6m/s就是卡通羊模型飞机在巡航迎角α巡=11.6 °状态下的最大平飞速度vmax，与其对应的升力L约为89g。根据重力、升力平衡关系可知，模型的重量必须小于89g。此时，整机推重比（电机拉/推力与整机重量之比）大于0.19（17g/89g）。

以上分析表明，卡通羊模型飞机的理想巡航迎角α巡=11.6°。在该巡航迎角下，最大平飞速度vmax=6m/s。同时，整机重量必须控制在89g以内才能保证飞行时重力G与升力L、拉力F与阻力D的平衡。

当然，上述分析仅是卡通羊模型飞机的一种理想飞行状态。实际飞行中，模型的迎角不可能长时间保持在11.6°，即模型实际最大平飞速度会偏离6m/s，整机重量控制上限也必须小于89g。

（3）稳定性问题

模型飞机的稳定性与其飞行性能直接相关。若模型的纵向、横向与航向稳定性不好，就很难操纵，甚至无法正常飞行。纵向稳定性与模型动力系统的拉力线、整机重心位置等因素紧密相关。目前模友们常飞的各种板机，其电机拉力线的设计，即上拉、平拉、下拉均有，孰优孰劣，并没有定论，因此卡通羊模型的电机拉力线拟采用最简单的平拉模式。

通过查阅相关资料可知，圆盘形板机的重心可初步设定在距机翼翼根前缘1/4弦长处，而矩形板机的重心可定在距翼根前缘1/6弦长处。由于卡通羊模型飞机造型很不规则，介于圆盘和矩形之间，因此初步将其重心设定在距机翼翼根前缘1/5弦长处（具体可通过移动电池、接收机的位置做调整）。当然，后期还需在试飞中对重心进行微调。

模型飞机的横向及航向稳定性常常“纠结”在一起，航空学中称其为“横侧向稳定”。正常布局的模型，机翼的上反角、机身、垂尾对其横侧向稳定性均有贡献。而具体到卡通羊模型飞机，因其翼展较机长小，机翼的上反角对整机的横向稳定性提升作用非常有限，而且还会大大增加制作难度，故没有设置机翼上反角。设计时主要依靠垂直于机翼的机身提高横侧稳定性。为此，机身面积取得较大，约为机翼面积的一半。这样，当模型飞机受到扰动偏航或横滚时，会自动产生回复力矩。

（4）舵面尺寸的选取

卡通羊模型飞机的升降副翼及方向舵面积的大小与其操纵效率有关。舵面面积过大，模型操纵会变得太灵敏；反之若舵面面积过小，则无法有效调整模型的飞行姿态。参考某矩形板机的造型后，升降副翼（单侧）及方向舵面积分别定为5.5cm2和5cm2。

（5）重量估算

根据此前的相关曲线，已得到卡通羊模型飞机在巡航迎角下最大平飞速度vmax=6m/s，测算出整机重量必须控制在89g以下。该重量是一个粗略的估算值，但对模型重量目标的制定具有重要的参考价值。

制作前，可根据各种材料与设备的重量预估卡通羊模型飞机的实际重量，并与上述重量估算值进行比对。

电子设备包括电机、电调、螺旋桨、舵机、接收机、锂电池。其中，A1504微型无刷电机重11g、微型XP-7A电调重6.3g、GWS 5030桨叶重1.9g、3个舵机重3×5g=15g、

天地飞6通接收机重5.9g、2S/220mAh双天锂电池重16g，另外还有自制的电机架重2.8g。以上重量合计58.9g。

3mm厚的D板面密度为80g/m2、“懒羊羊”机翼面积为806cm2、“灰太狼”机身面积为415cm2、升降副翼和方向舵面积分别为11cm2和5cm2，可大致估算出整机结构重量约9.9g。

电子设备及机体结构重量之和为58.9g+9.9g≈68g。考虑到模型在实际制作中还要用到胶粘剂等其它辅助材料，在上述总重基础上再额外增加20%（即14g），得到整机实估重量为82g

6.制作要点

（1）机体制作

a）首先根据卡通羊模型飞机的图纸，打印/缩放复印出图，并裁剪出“懒羊羊”机翼、“灰太狼”机身、升降副翼及方向舵等结构样板。

b） 将样板平铺在3mm厚的D板上，用美工刀沿其边缘整齐地切出机翼、机身、升降副翼及方向舵。

c）用水彩笔在机翼、机身、升降副翼及方向舵上分别绘出“懒羊羊”和“灰太狼”的卡通形象。

d）晾干后，将机翼与机身沿其上两个3mm宽的缝隙正交对插，并在接缝处涂上泡沫胶，等待数分钟胶干后即可粘牢。

e）分别将方向舵和机身、升降副翼和机翼后缘对齐，并用窄透明胶带纸骑缝粘贴，装上舵面。

（2）动力装置的安装

微型无刷电机A1504（KV值 2 300）+GWS 5030桨组成的动力系统装在机头（羊屁股）处，安装过程如下：

a）先用Auto CAD软件绘制好电机安装架。该安装架由3个小部件组成，均采用3mm厚的层板，并用激光雕刻机切。其中，圆形部件周边有4个直径2mm的圆孔，按圆周均布的3个孔为固定电机的螺丝孔，另一个为电机导线通过孔。

b）通过适配器将GWS 5030螺旋桨装在电机轴上。

c）用502胶将3个层板小部件粘结组装起来，构成电机架后，再将电机（带螺旋桨）用螺钉固定在其上。

d）将电机架卡在模型机头（羊屁股）正中间。安装之前，先在安装部位涂上泡沫胶。待胶干后，电机就安装完成了。

（3）舵机、舵角的安装

卡通羊模型飞机上有3个5g舵机，分别控制升降副翼和方向舵。各舵面上的微型舵角用废银行卡片制作，通过激光雕刻机切。3个舵机分别嵌在机翼与机身上粘好，卡片舵角则半嵌入舵面，周边用热塑枪热塑固定。舵机拉杆采用直径1mm的碳纤杆。舵机与舵机拉杆、舵机拉杆与舵角间通过订书针搭接，外侧套上热缩管热缩固。

（4）接收机、电调、电池的安装

卡通羊模型飞机采用6通微型2.4GHz接收机及微型XP-7A电。接收机嵌入机身、用透明胶带纸固定，电调用透明胶带纸紧贴在机身上。动力电池为双天2S锂电池，重16g，约占整机重量的20%，可用于调节模型重心位置。具体做法是：初步确定重心时，将电池放在翼根处，前后移动，直到整机重心位于机翼翼根距前缘1/5弦长处后用胶带纸临时固定。待最终重心位置完全确定后，再将电池嵌入机身的相应位置，用胶带纸固定牢靠。

7.试飞与调试

完成卡通羊模型飞机的设计、制作后，依次进行手抛无动力试飞和遥控试飞。试飞当天，现场风力3-4级，对于这类重量很轻的板机而言相对较大。经过多次调试后，卡通羊成功起飞。由于重心略偏后以及风力影响，实际操纵效果不是很好，模型多次出现“吊挂悬停”的飞行状态，未能按照预想持续滑翔飞行。尽管如此，卡通羊模型仍持续飞行近1分钟。随后，经过重新调试，其飞行性能有了较大提升。

通过试飞表明，卡通羊模型飞机的设计基本成功，但也存在一些问题。如整机尺寸、特别是机翼面积设计偏小，在动力相对充足的状况下，导致模型飞行速度快、不易操控。另外，整机重心略微靠后，有时会出现过分抬头现象。

至此，《室内微小模型飞机的设计与制作》系列文章圆满收官。通过一年多的刊载，详细介绍了同济大学两届《微小飞机设计与制作》课程的全部细节。未来，该课程还计划将世界各国首脑的卡通形象引入飞机设计，请大家拭目以待。

实现祖国的航空梦要从下一代抓起，从你我做起。希望在同济大学的带动下，能有更多的高校，甚至中小学开设航模制作设计的相关课程，积极步入航空领域。都参加进来吧！让我们大家一起努力。（全文完）

致谢：本文受同济大学实验教学改革项目及上海市本科重点课程项目支持，在此感谢。