一架SAE航空设计大赛参赛机的设计与制作

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国际航空设计大赛（SAE Aero Design Competition）是美国自动化工程师协会面向全球大学生举办的航空设计比赛，迄今已有26个年头。它以实际的航空工程问题为背景，设计、制作并试飞模型飞机，具有较强的实践性。北航代表队参加了2012年的比赛，并获得高级组冠军。取得如此优异的成绩，不但要有良好的团队合作精神、娴熟的航模操纵技术，还要有一架性能优异的参赛机。下面笔者就将参赛机的详细情况介绍给大家。

飞行规则简介

高级组比赛规定，参赛模型飞机搭载一定的重物滑跑起飞，完成至少一个闭合的航线后安全降落。所载重物越重、起降滑跑距离越短者，得到的飞行分数越高。

飞前准备时间为5分钟，所选模型须是61级及以下的油动固定翼模型飞机，不限翼展，但起飞重量（模型与载重物之和）不得大于24.9kg。这一规则较有趣，各队需根据自身情况，合理分配空机重量与载重物的比值：若机体设计得过重，虽结构强度大，但可载重物量少，有效分数低；若机体设计得过轻，虽可增加载重物，但往往结构强度不够。只有合理分配空机自重与载重物的比例，并且使模型飞机的强度与所载重量相匹配，才能获得更高分数。

设计制作参赛机

1.提出设计目标

由于飞行分数受载重量和起降距离的影响最大，因此设计小组制定了如下设计目标：

重量：起飞重量限制在24.9kg内。根据以往经验，空机设计重约5kg时，机身强度可承载约20 kg的重物。

起降距离：模型要有合理的动力系统和高效的增升装置，以缩短起飞距离；还需设计一套刹车系统，减少模型的降落距离。起降距离总和须小于100m。

起降测距系统：组委会规定参赛者须自行设计一套模型起降测距系统(Data Acquisition System，简称DAS)，且该系统测量4.88m距离误差不超过2.5cm，测试精度纳入考核。

动力系统：考虑到重量与推力的关系，发动机既要推力够大又不能太重，且至少可连续稳定工作10分钟。

拆解组装：模型可方便地拆分为几部分，以方便制作和运输，并且能快速方便地组装。

2.确定气动布局

为确保参赛机的高可靠性，没有采用鸭式、飞翼等气动性能高但较难控制的布局形式，而是采用常规布局，以稳中求胜。

考虑到模型大展弦比的特点，且要求运输方便，机翼被分为3段，有3种常规布局可选（图1）：

第一种方案最常见，由一个机身连接机翼和尾翼，发动机以串联方式安装在上部。优点是受力合理、制作简单。缺点是机翼需着重加强，以承受起落架的冲击力；发动机架要垫高，才能使用大桨径螺旋桨，模型受力复杂。

第二种方案布局与美国F-82战斗机相似，采用2个前后贯通的机身。其优点是主起落架、载重舱和发动机可集中安装在机身上，能减轻结构重量；停机角更大，可方便使用大桨径螺旋桨。缺点是2个载重舱分别装在机身上，整机转动惯量过大，滚转操纵性能下降；后三点式起落架滑跑稳定性差，且重载着陆对平尾的强度要求较高。

第三种方案是前两种方案的结合。其优点是发动机、燃油和载重舱集中在机身的中、前端，不但可减轻结构重量，而且也能减小转动惯量；前后串联安装发动机可互相抵消反扭矩。缺点是机身和机翼连接处的制作难度更大（图2、图3）。

综合考虑了三种方案后，根据以往经验和技术，设计小组最终选择了第三种方案（图4）。

3.设计制作机体

模型在起降及飞行过程中始终带载，要求其强度必须足够大（图5、图6）。因而制作时材料以层板和桐木片构架为主（图7、图8），关键部位用复合材料加强（图9）。

机翼为全机提供升力，对飞行品质的影响很大。机翼整体采用单梁式结构，左、右翼通过金属接头与中段连接（图10）。设计展弦比约为12，以兼顾诱导阻力和结构重量；根梢比尽可能接近2.5，以使升力接近椭圆分布。

机翼选用低雷诺数层流翼型，其弯度和厚度分别约在5%～7%和11%～14%。这样的翼型升阻比高、失速特性好、结构效率高。

经过反复计算，最终得到全机的布置参数（表1）。

4.选择动力组

动力组由2个发动机串联组成，采用前拉后推的形式安装（图11）。发动机轴与螺旋桨间通过齿轮减速，进一步提升拉力。在选择、安装动力组过程中，遵循了2个原则：一是尽量使用成熟的成品零部件，尤其是齿轮、主轴支架等机械加工精度要高，以减少因加工精度不足带来的麻烦；第二；适当加大减速比，使发动机能够安装桨径更大的螺旋桨。这是因为，当桨叶雷诺数一定时，桨径较大的螺旋桨有更高的推进效率。

在经过仔细的市场调查后，选择了21级OS航海模型发动机（图12），其最高转速为每分钟33000转。发动机选好后，接下来选择合适的减速器（图13）。考虑到桨尖线速度过大时会发生颤振，导致发动机功率急剧下降，因此初步将桨尖的最大线速度定为0.5倍声速，即170m／s，再根据计算便可初步确定减速比的大致范围。

由于之前制作减速器时，自制的减速齿轮因机械加工工艺不过关而折断，因此在此次比赛中，决定选用成熟的成品齿轮及其他配件。查找多方资料后，选择了车模上用的钢齿轮，主动轮与从动轮的减速比约4.76，较符合要求。主动齿通过自制的内衬垫块装在发动机曲轴上，从动齿通过法兰盘将减速器主轴与螺旋桨相接。

确定了发动机及减速器后，开始选择螺旋桨。先后试验了17×8、20×10、21×10等各型螺旋桨（图14）。在试车台上，20×10的螺旋桨最高转速达到了每分钟5569转，从理论计算到实际都较出色，因此最终确定前发动机使用该螺旋桨。

由于模型飞机采用前拉后推的动力形式，后发动机始终位于前发动机螺旋桨的滑流中，因此理论上应配备更大桨距的螺旋桨才能产生更高的效率。为此选择了规格为20×12的螺旋桨，试验时转速达到每分钟5600转。

此外，发动机架支撑侧板采用了碳纤维板，较之其他材料，有3个显著的优点：（1）在同等力学性能、强度和刚度的前提下，其重量较轻；（2）韧性好，有利于减震；（3）强度非常高。

5.DAS起降测距装置

这套DAS测距系统具有鲜明的创新性特点：在主起落架后方安装副轮（图15），其上有均匀分布的孔隙，当副轮与主机轮一同转动时，光电开关可感应孔隙数量，最终通过单片机（图16）计算出滑跑起降距离（详细内容请关注2012年第9期本刊相关文章）。

6.刹车系统

参赛模型主起落架上还有一套自行设计的刹车系统，通过它模型飞机降落后可快速停止前进。刹车系统起初设计了3种方案（表2），经过讨论最终确定使用第3套方案（图17、图18）。

验证飞行时，刹车装置十分有效，模型飞机从落地到停稳所用距离很短；增升装置效果也很明显，模型能以很低的速度起飞；2个发动机状态最好时，拉力可达到11kg，超过了设计要求，使载重能力进一步提高，起飞距离进一步缩短。

在试飞阶段，我们还在机体上安装了“老鹰树”系统，记录模型的高度、速度等飞行数据（图19），并将这些数据与设计参数对比。模型每阶段的飞行速度都比理论上的计算值略低。

正是因为队员们严谨认真的专业态度、不知疲倦的探索精神才使参赛机有如此优异的性能。虽然它只是一架模型飞机，但每个队员在设计、制作过程中所得到的收获却是巨大的（图20～图22）。

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