试制一架复合材料模型飞机

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复合材料模型飞机因结构强度高、抗坠毁能力强等特点，近年来受到广泛关注。模型飞机上使用的复合材料主要有玻璃钢和碳纤维两类。相比碳纤维材料，玻璃钢价格更低、工艺也相对简单，主要用于大型模型飞机的机体蒙皮等结构；碳纤维材料则因更高的强度重量比，多被用于主承力件及增强结构中。

为了更深入地了解复合材料在模型飞机上的应用情况，笔者设计了一款复合材料验证机。这架模型主体采用泡沫夹芯材料，以之为模具，外面铺玻璃纤维环氧树脂基复合材料蒙皮，机体部分主承力件使用碳纤维材料加强。

一 总体设计

这架验证机属于低速飞行器，机身外形设计主要根据内部装载需要及机翼、发动机的安装要求进行，并兼顾气动与加工工艺。综合考虑后，模型采用了中单翼常规布局，总重约6kg、翼展2.65m（图1）。

根据选定的翼载荷、展弦比和翼型等参数，确定了机翼主要参数（表1）。由于验证机较大，除了机翼翼尖附近的副翼外，翼根处还增设了一对襟翼，用以减小模型的起降滑跑距离。而且，模型落地后襟翼向上升起，还能充当减速板产生一定的空气刹车效果（图2）。

机身前部为等截面圆柱体，体积较大，便于安装设备。机身两侧凸出的翼台与机身平滑过渡，并预留有机翼对接槽，方便中单翼机翼与机身的连接。机身中部为整流需要逐渐收缩（图3）。机身后部等截面向后延伸，用于安装尾翼。

平尾和垂尾主要保证模型的纵向和航向稳定性，使模型在飞行中受到气流影响时仍能保持平稳。升降舵和方向舵的面积大小主要考虑能否提供足够的抬头/低头力矩与转向力矩。在常规布局的模型中，平尾多提供“负升力”，一般选择对称翼型，而垂尾大都选对称翼型。这架验证机的平尾与垂尾设计图分别见图4和图5。

整机设计定型后，下面开始模型的制作。

二 泡沫机体的加工

1.泡沫机翼

切割泡沫机翼的翼肋样板使用普通层板制作，先用线切割锯按翼型切割几个端面的翼肋样板毛坯（图6），再用电动磨砂打磨机将它们的边缘毛刺打磨光滑（图7）。

机翼材料选用中密度EPO泡沫，用24V直流电热丝进行切割。切割时，将翼肋样板贴在尺寸合适的泡沫块两端，用电热丝沿样板匀速切割出所需的机翼（图8、图9）。

2.泡沫机身

采用相同的工艺方法，先用线切割锯切出机身样板，再以样板为外形用电热丝切出泡沫机身（图10）。泡沫机身分前、中、后部三段，分别切割成型后再进行拼装（图11）。

三 复合材料的加工与敷设

1.加工敷设原则

在机体表面敷设复合材料前，必须先将一些连接与加强件预埋在泡沫中。此外，还需处理好舵机线路，并在泡沫中挖好预埋舵机孔位。为防止复合材料在真空固化时发生塌陷，应在敷设前将舵机安装孔位用泡沫块填充至与机体外表面平齐。待复合材料固化完成后，再用切割工具在对应位置开孔，以便安装舵机。

整个机体表面的复合材料主要使用环氧树脂与玻璃纤维布敷设。首先定义沿机翼展长方向和机身轴线方向分别为0°铺层，而沿机翼弦长方向为90°铺层。敷设时，里层铺0°/90°纤维布，外层铺±45°纤维布，这样能有效提高机体强度。为此，玻璃纤维布也按照0°/90°方向和±45°方向裁剪。

2.机翼

敷设前先按机翼尺寸与玻璃纤维布裁剪方向将布裁好（图12），再配制树脂。然后将环氧树脂、固化剂、增塑剂按一定比例配制出树脂基体（图13、图14）。

配好树脂基体后，在机翼表面敷设玻璃纤维布（图15）。模型飞机正常飞行时，机翼下表面受拉、上表面受压，下表面的强度对飞行可靠性影响更大。由于这架验证机单侧机翼展长达1.2m，机翼所受气动载荷若单靠玻璃纤维布承受安全裕度过低，因此需在机翼下表面再铺一层3K碳纤维布，以提高下翼面的拉伸强度。先在翼根、翼尖处铺一层3K碳纤维布，以增强翼根翼尖处强度（图16）。然后在机翼下表面再铺一层3K碳纤维布，使其同时连接翼尖和翼根处的碳纤维布，整体加强机翼下表面（图17）。

铺布完成后，将机翼整体用玻璃纸包裹好放入真空袋中（玻璃纸可防止树脂与真空袋发生粘连）。抽真空可使纤维布之间紧紧贴合并挤出多余的树脂，减轻部件重量（图18）。

常温下，抽真空固化48小时左右树脂即完全固化。

3.机身、尾翼与舵面

机身敷设采用相同的方法。由于泡沫机身分为前段、中段和后段，因此分段铺玻璃纤维布单独固化成型（图19、图20）。待三段初次固化成型后，再用玻璃纤维布和碳纤维条依次连接进行二次固化（图21）。注意，抽真空过程不能动铺层结构，以免固化过程中复合材料结构变形。

平尾、垂尾及各舵面等小部件采用相同的制作工艺（图22、图23）。至此，验证机的主要部件制作完成，接下来进行整机的总装。

四 总装

机身与机翼采用碳管插接固定。其中，机身内预埋了内径20mm、外径22mm的3K碳管，并与机身固化；机翼对应位置则预埋内径23mm的3K碳管。两者插接好后，再用铝条通过螺栓将它们固定在一起（图24）。

这架验证机采用15cc排量的单缸汽油机，燃料为93#汽油与润滑油按25：1配比。相对于普通的甲醇发动机，汽油机多了CDI点火组件、霍尔转速探测器、转速表等附件（图25）。因为汽油机工作时必须周期性地向汽缸内部的火花塞通高压电，以点燃燃油混合气，所以应特别注意为汽油机和舵机提供独立的点火与供电电池，切忌两者同时使用一块电池。

与甲醇发动机类似，新汽油机也不能直接装机运转。这是因为发动机内部活动部件的连接处一般会存在安装应力，且活动部件表面也不是很光滑，若立刻就使其高速运转，极易出现问题，甚至发生“拉缸”、“抱死”等严重事故，导致发动机提前报废。因此，新发动机正式使用前必须经过磨车。磨车时间约为4小时，直到发动机怠速稳定后才能装机（图26）。验证机为前拉式动力布局，需先将发动机装在防火板上，再将防火板与机头连接固定。

主起落架为玻璃钢材料，通过螺栓与机身固定。前起落架用直径4mm弹簧钢丝弯折而成，直接装在机头防火板上。

装好起落架后，整机结构基本完成，接下来安装舵面、舵角、舵机等设备。机身中部的设备舱中分别布置有油箱和电池、接收器等电子设备。油箱应与其他电子设备隔离，以防电子设备产生电火花引燃汽油（图27）。

五 调试与试飞

总装完成后，在试飞前还要对验证机进行各类地面调试，包括重心位置、各舵面调节、发动机启动等工作（图28）。

地面调试工作结束即可转入试飞。试飞应选择地面平整、空域良好的场地进行。先进行滑跑测试，没有问题再开始试飞。试飞中，整机飞行平稳、升降舵灵活，但副翼控制转弯稍显迟钝（事后分析可能是副翼舵面略小的缘故），需使用襟、副翼混控。落地检查，未发现整机存在结构损伤，验证了这款复合材料验证机的设计与制作基本成功（图29）。

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