全国科研类航空航天模型锦标赛1kg级载重项目浅谈(上)

常用的翼型有S1223和MH-113等。当然，具体设计时也可根据实际飞行的需要对现有翼型进行修改，这样会获得更好的性能（需通过必要的试验验证）。此外，借助一些翼型辅助设计软件，也能挑选出适合目标飞行状态的翼型。图7所示为Profili翼型设计软件的翼型数据信息界面，可同时显示翼型在不同状态参数下的升力、阻力等数据。该软件还能在不同翼型间进行比对，对设计方案的确定与优化大有裨益。

（4）结构优化。在确定模型飞机几何参数时，可通过查阅使用材料（如木材等）的相关资料，计算或估算出模型的总重量，进而确定其翼展、翼弦、机身长度等参数。而在机翼的设计中，若能巧妙地运用翼型渐变（在靠近翼根区域使用弯度和相对厚度较大的翼型，在靠近翼梢区域采用弯度和相对厚度较小的翼型），也能获得很好的飞行性能。此外，笔者观察到，近年比赛中，有代表队还在机翼上使用了翼刀和翼梢小翼等减阻增升装置，只是受技术难度与结构重量等因素所限，这些装置相对比较简单（图8、图9）。

（5）拆装方式。设计载重模型飞机时，一方面要尽可能减小机体重量，另一方面又要考虑模型的运输条件限制。这对矛盾如何平衡是设计之初首先要解决的问题。拆装方式是影响模型重量的重要因素之一。比赛中，有些参赛队为减少拆装部分的重量，将模型飞机设计成一体不可拆装的样式（图10）；也有参赛队为了运输方便，将模型飞机的机翼、机身等设计成可拆装式，这或多或少所增加的部分重量要在其它设计方面进行平衡优化（图11）。不同的拆装方式各有利弊，需要综合考虑结构设计、运输空间、安装部分的结构可靠性等多方面因素，找到最适合的方案。

2.飞翼布局

飞翼是一种比较特殊的布局形式，其有效升力面积很大，较常规布局有不可比拟的优势。但飞翼布局一般没有平尾和垂尾，其航向稳定性与操控性相对较差。

飞翼的翼型非常特别，为S翼型（图12）。这种翼型的中线形状看起来像一个躺下的字母“S”。翼型后缘向上翘起，当正面气流流过时，会使后缘下沉产生抬头力矩。焦点是模型飞机升力增量的作用点。对静稳定的飞行器而言，焦点须在重心之前，越靠前则越稳定，但随着焦点和重心间距离的增加，模型在不同升力情况下的俯仰力矩会变化很大，对于飞翼布局的模型飞机而言，由于其尾力臂较短，配平能力也相对较差。因此必须限制重心与焦点间的距离，以保证模型在所有迎角范围内都能通过升降副翼进行俯仰方向的配平。

在载重比赛中，由于有效载荷的悬挂位置对整机的重心及重量分布会产生很大的影响，而且模型搭载的有效载荷重量需随不同轮次进行调整，因此飞翼在设计之初必须更加谨慎。

在整体设计上，飞翼动力装置的推力线应尽量通过重心或在重心上方，这样可产生一定的低头力矩；在气动布局方面，可适当加大机翼的后掠角，以使作用在后缘的抬头力臂加长，进而增加飞翼的俯仰稳定性。

近几届比赛中，西安交通大学队在2010年首先使用了飞翼参赛机（图13），随后沈阳航空航天大学队在2011年也制作了一架飞翼布局的载重模型（图14）。笔者相信，通过选手们的新奇创造与大胆尝试，在以后的比赛中，技术更加可靠先进的飞翼、鸭式等创新布局会越来越多地出现在赛场上。

三、结构工艺

结构工艺的优劣将直接影响参赛模型的可靠性，增加结构强度和减小结构重量是载重模型在结构工艺方面最重要的两个课题。

经过不断探索改进与创新，各参赛队在材料技术方面有了很大的提高，复合材料、碳制品已被广泛用于模型的制作中。

机翼主梁的方案选定与制作可谓整机结构工艺的核心。首先要根据设计方案与相关计算选择合适的主梁用料。在1kg载重项目上，松木、桐木及轻木主梁都曾被使用。至于主梁的形状，长方体梁结构因在绘图和制作上都比较容易操作，所以被大量选用。也有参赛队采用锥形梁结构，即在机翼根部主梁截面积较大，从翼根向翼梢逐渐收缩。收缩比例根据实际情况具体计算与分析确定。

为增强主梁的比强度（单位重量的结构强度），大多采用在木材基础上增加复合材料的方法，目前经常使用碳纤维片和凯芙拉纤维丝（图15、图16）。常用的碳纤维片规格有0.1mm、0.12mm厚等。凯芙拉纤维丝则根据实际强度要求，缠绕出不同疏密。进行复合制作时，若有定型模具效果更好，如果没有，则要尽量保持梁材无形变和位移，以保证复合之后的主梁符合要求。复合时常使用“安特固”粘合剂或环氧树脂胶（图17、图18）。复合顺序一般是先将碳纤维片粘接在木梁上，再根据需要在碳片上缠绕凯芙拉纤维丝，最终成型得到复合主梁（图19）。

为了降低人为因素对机翼等较大部件在整体成型时产生的误差与变形，制作时最好使用限位型架（图20）。例如制作机翼时，要将木梁和翼肋等部件按顺序放置在型架中相应的限定位置，再用粘合剂粘接使机翼整体成型。只要型架不因自身原因产生扭曲，这样制作得到的部件即可将人为手工误差降到最低。

腹板是增强机翼强度常用的一种结构，载重模型上很常见，一般是用竖纹木片粘在上下翼梁之间。而在机翼根部到主起落架区间内，上下主梁之间除了粘贴腹板外，还经常用木条斜撑进行加强（图21）。此外，在翼肋上方贴覆碳片等也能增加机翼相应承力部分的结构强度（图22）。

减轻一切不必要的重量对结构工艺制作举足轻重。特别是在机翼的设计制作中，要根据翼型的特点来确定主梁的位置，进而确定机翼蒙板面积。具体操作时，主梁不必完全按照距机翼前缘30%的位置设定。一般载重模型飞机的翼展都比较大，将主梁位置适当提前，能有效减少前缘蒙板的面积及重量。还有很多模型采用在机翼前缘蒙板的下翼面进行适当镂空的方法，也能减小不少重量（图23）。当然，对翼肋进行适当镂空也是减重常用的方法。三角形的图案镂空方式比较可靠，设计绘图时要注意将三角形各夹角进行圆角过渡处理以减小应力集中（图24）。通过不同木纹材料的搭配也能做出很好的镂空效果（图25），若将两者结合或采用构架式翼肋则效果更佳，但其工艺相对比较繁琐（图26）。翼肋目前主要以轻木为主。关于轻木的选择与使用，有兴趣的读者可参阅《航空模型》2008年第1、第2期中的相关文章。

起落架通常使用外径10mm左右、壁厚1～2mm的空心管，材质以玻璃纤维、单向碳纤维和碳纤维卷管等为主。在满足承重的要求下，碳纤维卷管的相对重量最轻。

由于载重模型翼展很大，若使用市售的标准规格的舵机延长线，会大大增加模型的重量。因此各参赛队都选用了更轻便可靠的代替品，有的为电脑排线、有的为单根直径更细的信号线，也有的测试使用了一定规格的漆包线（图27）。比较而言，合适规格的漆包线效果最理想。

其它减重措施还包括采用轻量化蒙皮、相对较薄的层板隔框和重量较轻的接收机，自行设计木质机轮、减少舵机连杆长度及安装电机时使用的螺母等。（未完待续）

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