室內(nèi)微小模型飛機(jī)的設(shè)計(jì)與制作[10]

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1、室內(nèi)微小模型飛機(jī)的設(shè)計(jì)與制作[10]　　上期已對(duì)超級(jí)電容自由飛模型飛機(jī)所用的“614空心杯電機(jī)、45mm螺旋槳、2.7V-5F超級(jí)電容”動(dòng)力系統(tǒng)的性能進(jìn)行了全面測試，得到了該動(dòng)力系統(tǒng)放電電壓U與拉力F的衰減曲線。接下來，將基于動(dòng)力系統(tǒng)的這些性能數(shù)據(jù)，介紹設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、制作其他超級(jí)電容自由飛模型飛機(jī)提供參考。1.設(shè)計(jì)動(dòng)力基準(zhǔn)F基準(zhǔn)圖1是上述動(dòng)力系統(tǒng)放電過程中的動(dòng)力衰減曲線，即超級(jí)電容為電機(jī)放電時(shí)，電機(jī)兩端電壓U、拉力F隨時(shí)間t的變化曲線。曲線中，假定超級(jí)電容的初始電壓U0為電機(jī)額定電壓U額=3.7V。從圖中可

2、知，超級(jí)電容初始電壓為U額=3.7V時(shí)，動(dòng)力系統(tǒng)的拉力F額=7.5g。然而，當(dāng)電容向電機(jī)供電時(shí)，電機(jī)兩端的電壓U會(huì)隨時(shí)間t快速下降;同時(shí)，螺旋槳提供的拉力F也會(huì)隨之迅速降低。該特性與用普通動(dòng)力電池持續(xù)恒壓供電的常規(guī)電動(dòng)模型飛機(jī)截然不同。7那么問題來了：針對(duì)超級(jí)電容與電機(jī)/螺旋槳組成的動(dòng)力系統(tǒng)，我們應(yīng)該先選定一個(gè)合適的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)電機(jī)電壓U基準(zhǔn)，以及該基準(zhǔn)電壓下電機(jī)的設(shè)計(jì)動(dòng)力基準(zhǔn)F基準(zhǔn)（=pU基準(zhǔn)）。然后，再照此拉力F基準(zhǔn)建立模型飛機(jī)在假想“巡航狀態(tài)”下的重力-升力及推力-阻力平衡關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)出與該動(dòng)力系統(tǒng)相匹配的自由飛模型飛機(jī)。上述基準(zhǔn)拉力公式中，p為電機(jī)的拉力-

3、電壓敏感系數(shù)，即電機(jī)兩端電壓每減小1V，螺旋槳拉力F的降低值。對(duì)于選定的動(dòng)力系統(tǒng)，p=2.01g/V。顯然，一旦依照某動(dòng)力基準(zhǔn)F基準(zhǔn)完成設(shè)計(jì)并做出模型飛機(jī)，那么在電容電壓從初始值U額降至U基準(zhǔn)這一放電過程中，電機(jī)動(dòng)力F會(huì)相應(yīng)地從F額降至F基準(zhǔn)，但其數(shù)值始終大于動(dòng)力基準(zhǔn)F基準(zhǔn)。在此期間，模型飛機(jī)動(dòng)力充足，處于爬升狀態(tài)。而當(dāng)電容電壓降至U基準(zhǔn)以下后，電機(jī)的動(dòng)力F將小于F基準(zhǔn)，且會(huì)不斷降低，模型飛機(jī)下降?？梢姡O(shè)計(jì)模型飛機(jī)時(shí)，U基準(zhǔn)或F基準(zhǔn)既不能選取得過高，也不能取得過低。若U基準(zhǔn)或F基準(zhǔn)取得過高，所設(shè)計(jì)的模型飛機(jī)爬高時(shí)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(zhǔn)的時(shí)間太短，模型飛機(jī)飛行時(shí)會(huì)顯得動(dòng)力不足。而若U基準(zhǔn)或F基準(zhǔn)取得過低，為了匹配過低的拉力F基準(zhǔn)，模型飛機(jī)設(shè)計(jì)的重量目標(biāo)W總重就必須定得很低，會(huì)給整機(jī)的實(shí)際制作帶來很大困難。對(duì)于選定的這套動(dòng)力系統(tǒng)，經(jīng)過權(quán)衡，筆者選擇模型飛機(jī)的設(shè)計(jì)動(dòng)力基準(zhǔn)F基準(zhǔn)取0.6F額，即圖1中0.6U額7（≈0.6×3.7V=2.22V）電壓下的電機(jī)拉力值F基準(zhǔn)=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(shè)計(jì)的電源基準(zhǔn)電壓和基準(zhǔn)拉力，理由如下：選定該設(shè)計(jì)基準(zhǔn)時(shí)，超級(jí)電容電壓從U額放電至U基準(zhǔn)的時(shí)間，即模型飛機(jī)的爬高時(shí)間t爬高≈20s

5、，模型的重量設(shè)計(jì)目標(biāo)W目標(biāo)（=F基準(zhǔn)/r），兩數(shù)值均比較適中。此處，r為整機(jī)的推重比，即電機(jī)推力與模型飛機(jī)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(jié)了常規(guī)布局室內(nèi)微小模型飛機(jī)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(jī)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(shù)據(jù)，可初步確定模型各主要尺寸與機(jī)翼翼展L翼展間的比例關(guān)系，見表2前3列。圖2是根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)按比例繪制得到的模型初步草圖，需要說明：（1）模型飛機(jī)的幾何形狀僅是一個(gè)初略方案。機(jī)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(dāng)修正。（2）平尾及垂尾翼根弦長d平尾和d垂尾均統(tǒng)一取0.2L翼展，主要是考慮“⊥”形尾翼組裝時(shí)，平尾與垂尾翼根尺寸相當(dāng)，外形顯得齊整。7（3）機(jī)翼前緣與機(jī)頭距離d機(jī)頭取1/5機(jī)身長度，而非此前建議的1/9機(jī)身長度（表1中機(jī)翼前緣與機(jī)頭距離的比例）。這是因?yàn)?，該模型后半部分較重，取1/5機(jī)身長度，加裝電機(jī)與電容后，便于配平整機(jī)的重心。對(duì)于正常布局的模型飛機(jī)，其重心一般在距機(jī)翼前緣1/3弦長處，即遵循所謂的“1/3弦線法則”。（4）在機(jī)翼與機(jī)身間設(shè)置了一個(gè)L翼臺(tái)×H翼臺(tái)的矩形翼臺(tái)，使機(jī)翼高置。這樣模型的重心較低，可增加整機(jī)的穩(wěn)定性。矩形翼臺(tái)后

7、緣與機(jī)翼后緣對(duì)齊，長度L翼臺(tái)=d機(jī)翼+L機(jī)身/5=0.36L翼展，高度H翼臺(tái)取d機(jī)翼=0.13L翼展。翼臺(tái)上若做出減重孔或缺口，還可用于安裝固定電容和電機(jī)。3.元件及原材料的重量特性電容自由飛模型飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)元件由超級(jí)電容、空心杯電機(jī)、螺旋槳和導(dǎo)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(duì)于選定的動(dòng)力系統(tǒng)元件，使用高精度電子秤實(shí)測可分別測量出其重量W電容、W電機(jī)、W槳及W插頭+導(dǎo)線（表3）?？傊亓縒動(dòng)力系統(tǒng)≈4.5g。模型的結(jié)構(gòu)主要由機(jī)翼、垂尾、平尾、翼臺(tái)、機(jī)身連桿等組成。機(jī)翼、垂尾、平尾用1.5mm厚的吹塑紙，翼臺(tái)為KT板，機(jī)身連桿為直

8、徑1mm的碳纖桿（也可用