室內微小模型飛機的設計與制作[10]

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1、室內微小模型飛機的設計與制作[10]　　上期已對超級電容自由飛模型飛機所用的“614空心杯電機、45mm螺旋槳、2.7V-5F超級電容”動力系統的性能進行了全面測試，得到了該動力系統放電電壓U與拉力F的衰減曲線。接下來，將基于動力系統的這些性能數據，介紹設計與之相匹配的自由飛模型的具體步驟。這套方法可為廣大航模愛好者設計、制作其他超級電容自由飛模型飛機提供參考。1.設計動力基準F基準圖1是上述動力系統放電過程中的動力衰減曲線，即超級電容為電機放電時，電機兩端電壓U、拉力F隨時間t的變化曲線。曲線中，假定超級電容的初始電壓U0為電機額定電壓U額=3.7V。從圖中可

2、知，超級電容初始電壓為U額=3.7V時，動力系統的拉力F額=7.5g。然而，當電容向電機供電時，電機兩端的電壓U會隨時間t快速下降;同時，螺旋槳提供的拉力F也會隨之迅速降低。該特性與用普通動力電池持續(xù)恒壓供電的常規(guī)電動模型飛機截然不同。7那么問題來了：針對超級電容與電機/螺旋槳組成的動力系統，我們應該先選定一個合適的設計基準電機電壓U基準，以及該基準電壓下電機的設計動力基準F基準（=pU基準）。然后，再照此拉力F基準建立模型飛機在假想“巡航狀態(tài)”下的重力-升力及推力-阻力平衡關系，進而設計出與該動力系統相匹配的自由飛模型飛機。上述基準拉力公式中，p為電機的拉力-

3、電壓敏感系數，即電機兩端電壓每減小1V，螺旋槳拉力F的降低值。對于選定的動力系統，p=2.01g/V。顯然，一旦依照某動力基準F基準完成設計并做出模型飛機，那么在電容電壓從初始值U額降至U基準這一放電過程中，電機動力F會相應地從F額降至F基準，但其數值始終大于動力基準F基準。在此期間，模型飛機動力充足，處于爬升狀態(tài)。而當電容電壓降至U基準以下后，電機的動力F將小于F基準，且會不斷降低，模型飛機下降?？梢?，設計模型飛機時，U基準或F基準既不能選取得過高，也不能取得過低。若U基準或F基準取得過高，所設計的模型飛機爬高時間t爬高變短，即電容電壓從初始電壓U額放電至U基

4、準的時間太短，模型飛機飛行時會顯得動力不足。而若U基準或F基準取得過低，為了匹配過低的拉力F基準，模型飛機設計的重量目標W總重就必須定得很低，會給整機的實際制作帶來很大困難。對于選定的這套動力系統，經過權衡，筆者選擇模型飛機的設計動力基準F基準取0.6F額，即圖1中0.6U額7（≈0.6×3.7V=2.22V）電壓下的電機拉力值F基準=4.2g（=0.6pU額=0.6×2.01×3.7g）。之所以選擇0.6U額和0.6F額分別作為模型設計的電源基準電壓和基準拉力，理由如下：選定該設計基準時，超級電容電壓從U額放電至U基準的時間，即模型飛機的爬高時間t爬高≈20s

5、，模型的重量設計目標W目標（=F基準/r），兩數值均比較適中。此處，r為整機的推重比，即電機推力與模型飛機總重量W總之比。2.主要部件的尺寸比例回顧本文第5部分（《航空模型》2014年第9期），總結了常規(guī)布局室內微小模型飛機各部件主要幾何尺寸的大致比例（表1）。由表可知，只要確定了模型飛機的翼展L翼展，其他主要部件的尺寸也就基本確定了。參考表2中的數據，可初步確定模型各主要尺寸與機翼翼展L翼展間的比例關系，見表2前3列。圖2是根據表2中的數據按比例繪制得到的模型初步草圖，需要說明：（1）模型飛機的幾何形狀僅是一個初略方案。機翼、尾翼均暫定為矩形。最終定樣前，圖中

6、的一些尺寸或形狀還要適當修正。（2）平尾及垂尾翼根弦長d平尾和d垂尾均統一取0.2L翼展，主要是考慮“⊥”形尾翼組裝時，平尾與垂尾翼根尺寸相當，外形顯得齊整。7（3）機翼前緣與機頭距離d機頭取1/5機身長度，而非此前建議的1/9機身長度（表1中機翼前緣與機頭距離的比例）。這是因為，該模型后半部分較重，取1/5機身長度，加裝電機與電容后，便于配平整機的重心。對于正常布局的模型飛機，其重心一般在距機翼前緣1/3弦長處，即遵循所謂的“1/3弦線法則”。（4）在機翼與機身間設置了一個L翼臺×H翼臺的矩形翼臺，使機翼高置。這樣模型的重心較低，可增加整機的穩(wěn)定性。矩形翼臺后

7、緣與機翼后緣對齊，長度L翼臺=d機翼+L機身/5=0.36L翼展，高度H翼臺取d機翼=0.13L翼展。翼臺上若做出減重孔或缺口，還可用于安裝固定電容和電機。3.元件及原材料的重量特性電容自由飛模型飛機的動力系統元件由超級電容、空心杯電機、螺旋槳和導線插頭五部分組成（圖3）。這些元件一旦選定，其重量就基本確定了。對于選定的動力系統元件，使用高精度電子秤實測可分別測量出其重量W電容、W電機、W槳及W插頭+導線（表3）?？傊亓縒動力系統≈4.5g。模型的結構主要由機翼、垂尾、平尾、翼臺、機身連桿等組成。機翼、垂尾、平尾用1.5mm厚的吹塑紙，翼臺為KT板，機身連桿為直

8、徑1mm的碳纖桿（也可用