附件5
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
學 院
工程學院
姓 名
指導教師
論文（設計）
題 目
航模飛機的原理分析及其改進
畢業(yè)論文（設計）前期工作小結(jié)
在做畢業(yè)設計前期，主要工作是搜集資料，準備模型器材，上網(wǎng)搜集相關信息。具體內(nèi)容如下：
1.搜集資料：由于航模方面的原理與本專業(yè)有所不同，為了更好的學習和掌握相關內(nèi)容，我搜集了《航空模型》，《模型飛機飛行原理》，《飛機結(jié)構設計》等相關書籍，以供參考。
2.準備模型器材：為了理論與實踐相結(jié)合，更好的完成設計，我準備了“利誠模型制作設計有限公司”出品的“Happy Boy”初級航模飛機和“Futaba”出品的四通道4EX遙控器一套，另外還有改進飛機所用的無刷電機，電子調(diào)速器和輕木條，鋼絲等零件。
3.上網(wǎng)搜集相關信息：通過互聯(lián)網(wǎng)，訪問相關論壇（模型中國論壇）和登錄航模生產(chǎn)廠家的網(wǎng)站，了解現(xiàn)在的市場行情和近幾年來應用在航模中的新技術。
畢業(yè)論文（設計）中期工作小結(jié)
有了充分的前期準備工作，中期主要工作是畢業(yè)設計主體的制作。
首先是認真的閱讀相關書籍，學習飛機設計的理論知識，飛機結(jié)構的相關布局，大致了解空氣動力學等專業(yè)知識。系統(tǒng)的學習了航空模型的飛行原理，模型制作方法和電子操作系統(tǒng)的工作原理。
其次是畢業(yè)論文的編寫，在論文中先對航空模型飛機的設計原理進行闡述，掌握它的設計特點，對現(xiàn)有的航空模型器材“Happy Boy”如何選擇布局形式，為何這樣設計進行了深入的探討。對航空模型飛機的動力系統(tǒng)的選擇和電源的選擇進行了分析，為下一步的改進做好基礎。
最后是和機械設計制造專業(yè)相結(jié)合，利用CAXA軟件繪制“Happy Boy”的設計圖紙，可以客觀的從專業(yè)角度了解模型的原理。
指導教師意見
指導教師簽名：
本科生畢業(yè)論文（設計）中期匯報表
填表日期：
本科生畢業(yè)論文（設計）任務書
論文題目
航模飛機的原理分析及其改進
學院名稱
工程學院
姓名
專業(yè)班級
指導教師
課題類型
應 用
畢業(yè)論文（設計）的內(nèi)容摘要
1、通過查閱一定量的文獻資料，掌握航空模型的設計方法及相應軟件的使用；
2、進行航模的實體造型；
3、確定航模改進的最佳設計方案，并據(jù)此進行相應的計算和設計；
4、做出此航模的三維裝配效果圖（UG或Pro/E）。
畢業(yè)論文（設計）基本要求及工作量要求
1、完成航模的實體造型；
2、對所選擇的航模結(jié)構進行分析，進行相應的計算，完成改進部分的設計工作；
3、繪制航模的二維、三維爆炸圖，以及必要的零件圖若干；
畢業(yè)論文（設計）的主要階段計劃（分前期、中期、后期）
1、1~2周文獻資料查詢；
2、3~11周完成設計工作并撰寫畢業(yè)論文，提交初稿并進行修改；
3、12~13周對論文進行完善，準備畢業(yè)答辯。
任務下發(fā)日期
完成日期
系主任 主管教學院長審批（簽字）：
附件2
學士學位畢業(yè)論文（設計）（黑體、小四號字）
航模飛機的原理分析及其改進
學生姓名：
指導教師：
所在學院：
專 業(yè)：
中國·大慶（宋體、三號、字間距加寬1磅）
2005（times new roman） 年 6 月（宋體、三號）
樣本
封面的頁面設置
學士學位畢業(yè)論文（設計）（黑體、小四號字）
學士學位畢業(yè)設計
航模飛機的原理分析及其改進
學生姓名：
指導教師：
所在學院：
專 業(yè)：
畢業(yè)設計(論文)開題報告
學生姓名：
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
設計(論文)題目： 航模飛機的原理分析及其改進
指導教師：
年 3 月 15 日
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
文 獻 綜 述
1、無線電遙控飛機的意義
人類自古以來就幻想著飛行。在載人的航空器發(fā)明之前，人類就創(chuàng)造了許多能飛的航空模型，不斷地探索著飛行的奧秘。在飛機發(fā)明之前，航空模型具有強烈的探索性質(zhì)，飛機發(fā)明之后航空模型仍然是研究航空科學的必要工具。
我國古代就有用風箏測量距離和傳遞信息的歷史記載。隨著航空模型的發(fā)展，特別是無線電遙控模型飛機的不斷完善，航空模型的用途越來越廣泛。如：可以利用遙控模型飛機進行航空航天領域的科學研究；作為部隊對空射擊訓練的靶機；也可以在遙控模型飛機上裝上攝像機進行航拍；利用模型飛機進行遙控遙測，利用航模飛機攜帶農(nóng)藥滅蟲；利用遙控模型飛機進行商業(yè)活動、節(jié)日慶典活動作飛行表演等等。
美國防部利用無人駕駛飛行器已經(jīng)有很長的歷史。早在越南戰(zhàn)爭時代，美國防部就使用了無人駕駛飛機（如：BQM－34A“火蜂”）和遙控飛行器。不同類型、形狀、型號和能力的無人駕駛飛行器一直服役于美國武裝部隊，主要用來從事情報搜集、監(jiān)視、偵察，以及目標探測活動。但局限于當時的科技水準，再加上回收時存在重要技術難題，當時采用降落傘和阻攔網(wǎng)技術，現(xiàn)在流行的全自控或遙控滑行著陸技術由于條件所限難以做到，使得人機的任務成功率非常低。美國國防部自從20世紀60年代以來，在無人駕駛飛行器方面的投入的資金超過60億美元。盡管投入了巨資，美國武裝部隊當時既沒有一整套使用無人駕駛飛行器的最佳操作規(guī)程和戰(zhàn)術策略，也沒有建成一支強大的無人駕駛飛行器部隊，由于技術問題和缺乏作戰(zhàn)能力，大部分無人駕駛飛行器計劃被擱置。早期的無人駕駛飛機除了具備讓飛行員免受傷害的優(yōu)勢之外，并沒有展現(xiàn)出比有人駕駛飛機更多的優(yōu)勢。
自從美國在越戰(zhàn)中首次使用“火蜂”無人機從事偵察以來的幾十年中，世界各國對無人機的研究就沒有中斷過，特別是最近十幾年，隨著各項相關科技的發(fā)展，無人機設計、維護、訓練成本 機動靈活，隱蔽性好，不懼傷亡，生命力強，起降簡單，操縱靈活等優(yōu)點逐步顯示出來，成為飛機發(fā)展的一個重要趨勢。
實踐證明，無人機在軍用和民用方面都有著廣泛的用途。
軍事方面，無人機攜帶不同的戰(zhàn)斗裝備，可用于執(zhí)行戰(zhàn)場偵察、監(jiān)視、電子干擾、戰(zhàn)斗評估、雷達誘騙、目標指示、精確打擊、定點轟炸、縱深攻擊、反裝甲、反輻射、反艦艇，甚至攔截戰(zhàn)術導彈和巡航導彈等多種作戰(zhàn)任務。在海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭以及曠日持久的反恐戰(zhàn)爭中，無人機都大顯身手，屢出風頭。
無人機的民用價值也很高，它可以廣泛用于邊境監(jiān)視、地面和海洋運輸監(jiān)督、森林火情偵察和森林采伐的巡察、氣象監(jiān)測、人工降雨、大地測量、海岸巡邏、水災監(jiān)視、交通管理、地球資源勘探、高壓線路故障巡視監(jiān)測、場區(qū)監(jiān)控、城市環(huán)境監(jiān)測等十多個民用領域，市場前景十分廣闊。
2、無線電遙控飛機的發(fā)展現(xiàn)狀
我國研制無人機已有四十多年的歷史，先后研制成功長空一號無人靶機系列、長虹高空高速無人偵察機、T-6通用型無人機、Z-5系列無人偵察機、ASN系列無人機等。開發(fā)出的數(shù)十種靶機和偵察型無人機，已能批量生產(chǎn)和裝備部隊，廣泛應用于晝夜空中偵察、戰(zhàn)場監(jiān)視、目標定位、校正火炮射擊、戰(zhàn)場毀傷評估、邊境巡邏等軍事領域和航空攝影、地球物理勘探、災情監(jiān)測、海岸緝私等民用領域。
美國在電動無人機的發(fā)展上走的比較靠前。由Cessna公司和美國海軍研究局美國航空航天學會主辦的大學生設計/制作/試飛競賽已經(jīng)連續(xù)成功舉辦了幾屆。競賽通過專家、評委對設計報告和飛行過程的綜合打分，確定各參賽隊的成績，對于進入前三名的隊伍分別給予2500、1500和1000美元的現(xiàn)金獎勵。這項競爭吸引了全美幾十所大學航空相關專業(yè)的學生組隊參加，通過親自參與小型電動無人機的設計、制作與試飛的全過程，使他們有機會將大學中所學知識綜合運用，在實踐中得到鍛煉，并極大的促進了電動無人機事業(yè)的發(fā)展。近兩年來，加拿大、意大利、土耳其的幾所大學也開始組隊參賽，并取得了不錯的成績，競賽主辦者還向日本、英國、德國、法國和俄羅斯等國家的大學發(fā)出了邀請，意圖使使這項賽事向國際化方向發(fā)展，在全世界范圍內(nèi)促進電動無人機事業(yè)的發(fā)展。
限制無人機在民用領域應用的主要因素不在于飛機本身，而在于相關領域的配套研發(fā)工作嚴重滯后，無法滿足該領域內(nèi)的任務要求，使無人機處于“有槍無彈”的尷尬境地。隨著配套研發(fā)工作的逐步進行，這一現(xiàn)象有望在未來幾年得到改變。相對于以往的油動發(fā)動機，以各種電池作為能源，電動機作為動力系統(tǒng)，更加的安靜、清潔、環(huán)保、無毒害，使電動無人機成為一種新的發(fā)展趨勢。然而，在輸出功率相同的情況下，電動動力系統(tǒng)要比油動動力系統(tǒng)重的多，為達到相同的設計性能，將對飛機的制造工藝提出更高的要求，這在很大程度上限制了電動無人機的發(fā)展。
作為軍用及民用無人機的雛形,航模運動在我國發(fā)展已有幾十年的歷史，但介于各種原因此項活動沒有被廣泛推展開來。市面上的航模產(chǎn)品種類繁多，但中高端產(chǎn)品主要被外國品牌所占有，價格昂貴。國內(nèi)廠家生產(chǎn)的大多是初級入門級產(chǎn)品，且相關的配套產(chǎn)品匱乏，質(zhì)量參差不齊?？紤]到航模成本高，為追求更高的飛行性能，大多數(shù)航模愛好者選擇自己動手改裝飛機。
在國內(nèi),改裝航空模型大多局限于專業(yè)人士,對于大眾的普及還很遠。主要原因是航模雖然看似簡單,但其設計原理,氣動布局,組織結(jié)構都與真飛機相似,涉及相關專業(yè)領域較多，如無線電學，空氣動力學，理論力學，機械設計及其原理等許多學科，專業(yè)性強。
目前市場上常見的初級入門級航模大多采用普通370有刷電機，這種電機的特點是價格便宜，耗電量大發(fā)熱多，扭矩小需要安裝減速機構。機輪固定，在跑到滑行時無法轉(zhuǎn)向，容易偏離航向。而市面上的中高端產(chǎn)品大多采用無刷外轉(zhuǎn)子電機，其特點是價格昂貴省電，發(fā)熱量小，扭矩大，并且大多數(shù)高端機起落架可以轉(zhuǎn)向甚至收回機艙內(nèi)。通過這次設計，將對航模飛機進行深入分析，掌握其設計結(jié)構和飛行原理。并在初級入門級飛機的基礎上對其進行改進，達到理想的目的要求。
參考資料
[1 ] 朱寶流，高國鈞，施定邦著. 模型飛機飛行原理. 上海教育出版社. 1980.
[2 ] 武 哲,謝 礎. 航空模型. 航空知識雜志社. 2006,第五期.
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）
1、 航模的原理分析及改進
本次設計是在本人現(xiàn)有的航空模型飛機套材”Happy Boy”的基礎上，對其進行深入的分析，掌握航模飛機的設計原理，并且優(yōu)化改進飛機的動力系統(tǒng)和起落架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。主要內(nèi)容有：
1. 了解飛機的飛行原理
2. 理解飛機的布局結(jié)構
3. 掌握內(nèi)部電子電路控制系統(tǒng)的工作原理
4. 改進飛機的動力系統(tǒng)
5. 改進飛機的起落架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
優(yōu)化后的飛機將有更強的動力，抗風性提高，機身結(jié)構得到加強，并且在地面滑行時可以轉(zhuǎn)向（原產(chǎn)品無法轉(zhuǎn)向）。
2、 研究方法
EDS公司的Unigraphics NX是一個產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設計及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗證手段。Unigraphics NX針對用戶的虛擬產(chǎn)品設計和工藝設計的需求，提供了經(jīng)過實踐驗證的解決方案。Unigraphics NX為設計師和工程師提供了一個產(chǎn)品開發(fā)的嶄新模式，它不僅對幾何的操縱，更重要的是團隊將能夠根據(jù)工程需求進行產(chǎn)品開發(fā)。Unigraphics NX能夠有效地捕捉、利用和共享數(shù)字化工程完整過程中的知識，事實證明為企業(yè)帶來了戰(zhàn)略性的收益。在目前的三維造型軟件中占有重要地位，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣。作為高等學校和研究機構來說，該軟件是進行設計的重要工具。
在UG模塊中可對零件模型進行有限元分析和優(yōu)化；在機構運動模塊中，可對零部件模型進行機構運動仿真，并獲得距離、速度等輸出曲線。
本次設計主要通過親自對航模飛機進行拆分和改裝，并且查閱相關飛行器設計書籍，對航模的結(jié)構和原理充分了解。改進方面，將運用UG軟件對航模起落架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行實體造型與模擬仿真，驗證其可行性。
畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告
指導教師意見：
1．對“文獻綜述”的評語：
2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結(jié)果的預測：
指導教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負責人：
年 月 日
6
畢業(yè)論文（設計）成績單
院系
專 業(yè)
機械設計制造及其自動化
入學時間
學號
學生姓名
何鑫
班 級
周數(shù)
起止日期
指導教師
程新江
職稱
論文（設計）題目
航模飛機的原理分析及其改進
指
導
教
師
評
語
指導教師簽名
年 月 日
評
閱
人
評
語
評閱人簽名
年 月 日
答辯小組評語
答辯小組負責人簽名 年 月 日
評分
指導教師
評閱人
答辯小組
平均分
五級制等級
備注：本成績單一式二份，一份裝訂在畢業(yè)論文（設計）中，一份入學生學籍檔案。
摘要
本文介紹了遙控電動飛機“Happy Boy”的設計、工作原理及其改進的全過程。文中首先對小型電動無人飛機原理進行了深入分析，掌握設計方法后，在原機的基礎上進行改進，主要改進措施包括：更換飛機動力系統(tǒng)以及增加轉(zhuǎn)向機構。動力系統(tǒng)的更換主要表現(xiàn)在使用無刷電機代替原有的３７０有刷電機，因為無刷電機的優(yōu)點是功率大，功耗低，使用壽命長，由于取消了碳刷，所以產(chǎn)熱量小。轉(zhuǎn)向機構的改進是將后三點式起落架改為前三點，并使前輪可以轉(zhuǎn)向，原機起落架采用后三點固定式起落架，飛機在滑行過程中無法轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向機構主要由曲柄搖桿來實現(xiàn)，并且使用ＵＧ軟件進行實體造型設計。
關鍵詞：飛機設計；電動飛機；改進；ＵＧ
Abstract
In this paper, electric remote control aircraft "Happy Boy" design, and improvement of the working principle of the whole process. First, on the principle of small electric unmanned aircraft had an in-depth analysis, grasp the design method, in the same plane on the basis of improvements, major improvements include: replacement of the aircraft and to increase the power steering system.The replacement of major power system performance in the use of brushless motor instead of the original 370 motor with brushes, because the advantages of brushless motor power, and low power consumption, long service life, due to the abolition of the carbon, so the small heat production.Improved steering mechanism is to be changed after the three-point before the three-point landing gear and front wheel can be shifted, the same plane after the landing gear using three fixed landing gear, aircraft taxiing process can not be turned by the crank steering shake rod to achieve, and the use of UG software simulated the effect of the dynamic. Keywords: aircraft design to improve the electric unmanned aircraft UG.
Keywords: plane design；electric plane；mend；UG
目錄
摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ
Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅱ
1 緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
2 構型設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.1 機翼．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2.1.1 機翼形狀選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2.1.2 機翼安裝位置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2.1.3 機翼增升裝置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.2 尾翼．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.2.1 平尾．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.2.2 垂直尾翼．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.3 發(fā)動機位置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.4 起落架形式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.4.1 前三點式起落架．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.4.2 后續(xù)三點式起落架．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.5 構型方案的選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
3 主要參數(shù)的估算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
4 推進系統(tǒng)的設計與計算分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
4.1 推進系統(tǒng)性能計算和分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
4.1.1 動力電池的特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
4.1.2 馬達特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
4.1.3 螺旋槳特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
4.1.4 減速器特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
4.1.5 調(diào)速器特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
5 各部件的初步設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5.1 機身外形設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5.1.1 機身的主要幾何參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5.1.2 機身幾何參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5.1.3 機身外形的初步設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
5.2 機翼外形初步設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
5.3 尾翼外形初步設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
5.4 起落架位置的確定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
5.5 操縱系統(tǒng)的初步設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
6 總體布置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
7 結(jié)構設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
7.1 機身外形設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
7.1.1 電動機與機身的連接結(jié)構設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
7.1.2 機翼與機身連接的結(jié)構設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
7.1.3 尾翼與機身連接的結(jié)構設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
8 航模飛機的改進．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
8.1 動力系統(tǒng)的改進．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
8.1.1 基本結(jié)構及工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
8.1.2 常用鐵氧體電機的品種規(guī)格及選用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
8.1.3 改進措施．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
8.1.3.1 無刷式直流電機的應用與原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
8.1.3.2 無刷式直流電機的特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
8.1.3.3 動力電源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
8.2 起落架的改進．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
8.2.1 主起落架與機身連接的結(jié)構設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
8.2.2 前起落架與機身連接的結(jié)構設計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29
8.2.2.1 機構自由度計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
8.2.2.2 機構的控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
9 飛機重心確定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
9.1 重心變化的若干因素．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
9.1.1 水平安定面對重心的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
9.1.2 翼型對重心的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
9.1.3 攻角的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33
9.2 重心的確定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33
10 遙控設備．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34
10.1 遙控原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34
10.2 遙控設備在飛機上的應用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35
11 結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36
參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37
致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．38
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1 緒論
飛機設計是綜合運用氣動、飛行力學、結(jié)構強度、發(fā)動機原理、電子、控制、材料、制造工藝等多門學科和專業(yè)的知識，創(chuàng)造性地構思出能滿足某種飛行任務要求的飛行器的工作過程。
目前在我國，了解航模飛機的人并不多，由于觀念和現(xiàn)實條件的因素，國內(nèi)的航模普及率遠不及歐美等發(fā)達國家。每年我國舉辦的大型航模比賽，參賽院校大多是國內(nèi)頂尖學府或者相關專業(yè)機構，一般團體和個人很難涉足，這也給航模的普及帶來了不便。作為一名機械設計專業(yè)學生，同時也是一名航模愛好者，借此機會用所學的相關理論知識，對航模飛機的飛行原理，設計方法進行深入的分析，結(jié)合現(xiàn)有的資料對其改進。
航模并不是單純的娛樂，有他延伸出的無人機早已在各個領域發(fā)揮出重大作用。自從美國在越戰(zhàn)中首次使用“火蜂”無人機進行軍事偵察以來的幾十年中，世界各國對無人機的研究就沒有中斷過，特別是最近十幾年，隨著各項相關科技的發(fā)展，無人機設計、維護、訓練成本低廉，機動靈活，隱蔽性好，不懼傷亡，生命力強，起降簡單，操縱靈活等優(yōu)點逐步顯示出來，成為飛機發(fā)展的一個重要趨勢。實踐證明，無人機在軍用和民用方面都有著廣泛的用途。軍事方面，無人機攜帶不同的戰(zhàn)斗裝備，可用于執(zhí)行戰(zhàn)場偵察、監(jiān)視、電子干擾、戰(zhàn)斗評估、雷達誘騙、目標指示、精確打擊、定點轟炸、縱深攻擊、反裝甲、反輻射、反艦艇，甚至攔截戰(zhàn)術導彈和巡航導彈等多種作戰(zhàn)任務。在海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭以及曠日持久的反恐戰(zhàn)爭中，無人機都大顯身手，屢出風頭。無人機的民用價值也很高，它可以廣泛用于邊境監(jiān)視、地面和海洋運輸監(jiān)督、森林火情偵察和森林采伐的巡察、氣象監(jiān)測、人工降雨、大地測量、海岸巡邏、水災監(jiān)視、交通管理、地球資源勘探、高壓線路故障巡視監(jiān)測、場區(qū)監(jiān)控、城市環(huán)境監(jiān)測等十多個民用領域，市場前景十分廣闊。限制無人機在民用領域應用的主要因素不在于飛機本身，而在于相關領域的配套研發(fā)工作嚴重滯后，無法滿足該領域內(nèi)的任務要求，使無人機處于“有槍無彈”的尷尬境地。隨著配套研發(fā)工作的逐步進行，這一現(xiàn)象有望在未來幾年得到改變。
相對于以往的油動發(fā)動機，以各種電池作為能源，電動機作為動力系統(tǒng)，更加的安靜、清潔、環(huán)保、無毒害，使電動無人機成為一種新的發(fā)展趨勢。然而，在輸出功率相同的情況下，電動動力系統(tǒng)要比油動動力系統(tǒng)重的多，為達到相同的設計性能，將對飛機的制造工藝提出更高的要求，這在很大程度上限制了電動無人機的發(fā)展。美國在電動無人機的發(fā)展上走的比較靠前。由 Cessna 公司和美國海軍研究局資助，美國航空航天學會主辦的大學生設計/制作/試飛競賽已經(jīng)連續(xù)成功舉辦了幾屆。競賽通過專家、評委對設計報告和飛行過程的綜合打分，確定各參賽隊的成績，對于進入前三名的隊伍分別給予 2500、1500 和 1000 美元的現(xiàn)金獎勵。這項競賽吸引了全美幾十所大學航空相關專業(yè)的學生組隊參加，通過親自參與小型電動無人機的設計、制作與試飛的全過程，使他們有機會將大學中所學知識綜合運用，在實踐中得到鍛煉，并極大的促進了電動無人機事業(yè)的發(fā)展。近兩年來，加拿大、意大利、土耳其的幾所大學也開始組隊參賽，并取得了不錯的成績，競賽主辦者還向日本、英國、德國、法國等國家的大學發(fā)出了邀請，意圖使這項賽事向國際化方向發(fā)展，在全世界范圍內(nèi)促進電動無人機事業(yè)的發(fā)展。
2 構型設計
飛機設計工作的基本思想是：在滿足所提出的各種設計要求的前提下，使飛機的結(jié)構和制作工藝盡量簡單，重量盡量輕，成本盡可能低。Happy Boy原機采用的是正常氣動布局，其參考數(shù)據(jù)豐富，可供運用的理論也比較成熟
從氣動方面考慮，采用圓形或橢圓形截面機身較為有利，但估計廠家是為了節(jié)約成本，使用較為容易制作的矩形截面機身。
飛機的有以下幾種布局方案：
1、正常式氣動構型，拉進式，上單翼，正常式尾翼下平尾，前三點式起落架。
2、正常式氣動構型，拉進式，上單翼，T 型尾翼，前三點式起落架。
3、正常式氣動構型，拉進式，下單翼，正常式尾翼上平尾，前三點式起落架。
4、正常式氣動構型，拉進式，下單翼，T 型尾翼，前三點式起落架。
5、正常式（半機身）氣動構型，推進式，上單翼，雙尾撐式平尾，雙垂尾，前三點式起落架。
各附簡圖如圖 2-1 所示
圖 2-1 備選布局方案簡圖
方案1簡圖 方案2簡圖
方案3簡圖 方案4簡圖
方案5簡圖
2.1 機翼
2.1.1 機翼形狀選擇
低速飛機機翼一般為直機翼，因其低速氣動特性良好，誘導阻力小，升阻比大。直機翼的平面形狀一般有矩形和梯形兩種。
從氣動方面看，矩形翼翼根先失速，具有內(nèi)在的失速安全特性，且整個機翼的載荷分布也較為理想。而梯形翼具有柔和的翼尖失速特性，當根梢比選擇的合適時（近似橢圓形機翼），整個機翼的載荷分布也較為適中。
但從制作與裝配角度考慮，梯形翼需要制作很多對不同的翼肋，以我們目前的制作水平，難以保證制作精度，裝配時精確定位也比較困難，而矩形機翼的制作工藝則相對簡單很多，因此出于對設計和制作成本方面的考慮，廠家采用的是矩形翼。
2.1.2 機翼安裝位置
機翼在機身上的安裝位置通常有三種：上單翼、中單翼和下單翼。這三種形式，各有其自身的優(yōu)缺點。
（1） 上單翼
優(yōu)點：穩(wěn)定性好，上反角較小，機翼氣動效率較高
對機身內(nèi)部空間影響較小，有利于機身內(nèi)部裝載的布置
翼身氣動干擾阻力比下單翼要小
與機身連接比中單翼簡單
機身與翼盒結(jié)構可互相補償，減輕機身結(jié)構重量
缺點：起落架如裝于機翼上，則高度過大，對起落架剛度要求較高
若采用上單翼前三點式，重量優(yōu)勢不及下單翼和后三點式配合
非正常著陸時，不能對機身提供保護作用
（2） 中單翼
優(yōu)點： 翼身氣動干擾阻力小
缺點：與機身連接困難，對機身內(nèi)部空間影響較大，不利于機身內(nèi)部裝載的布置
（3）下單翼
優(yōu)點：非正常著陸時，機翼對機身起保護作用
機身與翼盒結(jié)構可互相補償，減輕機身結(jié)構重量
對機身內(nèi)部空間影響較小，有利于機身內(nèi)部裝載的布置
起落架裝于機翼上時，高度較小，對剛度要求較低，且起落架重量較輕
缺點：穩(wěn)定性差，需要較大的上反角，降低機翼氣動效率
翼身氣動干擾阻力較大
“Happy Boy”的性能要求類似于初級教練機，穩(wěn)定性好是追求的主要目標之一，因此，綜合比較后，采用上單翼。
2.1.3 機翼增升裝置
采用增升裝置，主要目的是增加翼型相對彎度，并對邊界層進行控制，延緩翼面上的氣流分離，以改善飛機的起飛著陸性能。常用的增升裝置是各種形式的后緣襟翼，市場上常見的帶有增升裝置的航模飛機，大多采用簡單襟翼與副翼相結(jié)合的增升裝置形式——襟副翼，這類飛機多用于國際上的F3A比賽，或花式機比賽。由于“Happy Boy”主要是用于初級者的學習，不需要做大的空中機動飛行，所以沒有采用機翼增升裝置。其形式如圖2-2：
圖 2-2 機翼增升裝裝置
2.2 尾翼
2.2.1 平尾
平尾有全動平尾和由安定面與升降舵組成的正常式平尾兩種形式。前者操縱效率較高，具有氣動學上的優(yōu)點，但平尾與機身之間的縫隙難以密封，存在氣流的上下泄露。因此采用正常式平尾。根據(jù)平尾在機身上的安裝位置，正常式平尾可分為：上平尾、中平尾、下平尾和“T”形平尾。選擇平尾高低位置主要遵循下列原則：
（1）避開機翼尾渦流的不利干擾
（2）避開螺旋槳尾流的干擾
（3）有利于結(jié)構布置
由于前面已選定上單翼形式，根據(jù)上述原則，只能選擇下平尾或“T”形平尾。下平尾
與機身對接容易，可充分利用機身的強度，但與機身之間的氣動干擾阻力較大。采用“T”型平尾方向舵效率高于其它形式，可減小垂尾面積，且機身與尾翼之間的干擾阻力較小，可提高尾翼效率。但大迎角時有深失速的危險，并且對簡單的木制結(jié)構而言，平尾與垂尾對接不容易，應予以格外加強，可能導致重量的增加。
綜合考慮，Happy Boy 的設計采用的是上單翼與下平尾搭配的形式。這種布局使航模制作更加簡便，這更有利于初學者對飛機進行組裝，并且使尾翼的強度有所增加。
2.2.2 垂直尾翼
正常式布局的垂尾一般有單垂尾與雙垂尾兩種形式。當尾容量相同時，雙垂尾與單垂尾相比，其壓力中心高度顯著降低，可減小由側(cè)力造成的對機身的扭矩。但兩個垂尾間距太小時，會有顯著的氣動干擾，因此，必須將垂尾布置在平尾的兩端，而這又使方向舵的操縱變得復雜，可能在操縱系統(tǒng)上付出較大的代價。并且，雙垂尾的面積大于單垂尾，所付出的阻力上的代價可能會抵消它給機身帶來的好處。因此，Happy Boy采用單垂尾。
尾翼布局簡圖如下：
圖 2-3 尾翼布局簡圖
2.3 發(fā)動機位置
低速飛機一般采用發(fā)動機帶動螺旋槳作為動力，根據(jù)螺旋槳的安裝位置，可分為推進式與拉進式兩種。
拉進式動力配置方式效率高于推進式，而且有利于馬達散熱，可降低大電流工作時對電機性能的損傷，延長電機的壽命，但在起飛和降落時打斷螺旋槳的概率大于推進式。布局形式如圖2-1中方案1，2，3，4所示。
推進式動力配置方式大多采用雙尾支撐結(jié)構，中間留出螺旋槳的位置，可以有效保護螺旋槳，且不需要后機身，使結(jié)構得到簡化，構型也很美觀。但因受機身影響，效率低于拉進式，而且不利于電機散熱。同時動力裝置靠后，使重心位置后移，需在前機身配置載重或重物，以滿足穩(wěn)定性要求。布局形式如圖2-1中方案5所示。
因為傳統(tǒng)機型大多采用拉進式，并且拉進式在制作工藝上相對簡單，所以Happy Boy采用拉進式。
2.4 起落架形式
適合航模飛機的起落架形式主要有前三點與后三點兩種，二者各有優(yōu)缺點。
2.4.1 前三點式起落架：
優(yōu)點：起飛降落過程中航向穩(wěn)定性好
降落時不容易拉飄
著陸速度比后三點高
對遙控技術要求低，易入門
缺點：結(jié)構重量較大
槳尖距地面較近，滑跑時易被地面雜物打傷
2.4.2 后三點式起落架：
優(yōu)點：結(jié)構重量較輕
槳尖距地面較高，滑跑時被地面雜物打傷的概率較小
缺點：起飛降落過程中航向穩(wěn)定性差
降落時容易拉飄
降落時易倒立，損壞推進系統(tǒng)和飛機結(jié)構
對遙控技術要求高
比較二者的優(yōu)缺點，可以發(fā)現(xiàn)前三點式起落架更有利于初學者掌握航模飛機的操縱技巧， Happy Boy屬于簡易航模，自身重量小，原廠設計的是后三點式起落架。所以我的改進內(nèi)容就包括起落架的改裝，增加起落架的轉(zhuǎn)向裝置，詳細敘述見8.2。
2.5 構型方案的選擇
綜合比較各種結(jié)構及方案的優(yōu)缺點，并結(jié)合我們自身的理論知識和制作水平以及工作室所具備的加工條件，我最終為“Happy Boy”號選擇了第 1 種方案，即：正常式氣動構型，拉進式，上單翼，正常式尾翼下平尾，前三點式起落架。
3 主要參數(shù)的估算
飛機的設計很復雜，參數(shù)眾多，一般非專業(yè)人員很難掌握，由于本人所掌握的知識有限，因此這里只對飛機參數(shù)的選擇與計算過程進行簡單介紹。Happy Boy 的設計參數(shù)廠家已經(jīng)給出，不需要計算。
飛機的設計參數(shù)有很多，但對飛機的總體方案具有決定性的全局性影響的參數(shù)主要有三個，它們是：
（1）飛機的正常起飛重量 Wto（kg）
（2）動力裝置的海平面靜推力T0（10N）或靜功率P0（W）
（3）機翼面積S（m2）
這三者當中只要有一個改變，就會引起全機總體方案的大改動。通常將上述三個參數(shù)進行組合，得到兩個相對參數(shù)：
（1）起飛機翼載荷 Wto/S (kg/m2)
（2）起飛推重比 T0/Wto（10N/kg）或 起飛功率重量比P0/ Wto (W/kg)
在選擇飛機參數(shù)時，應先根據(jù)飛機設計要求中所給定的飛行性能指標和典型飛行任務，初步選定翼載荷、推重比（或功重比）及起飛重量的初值，然后才能進一步確定其它參數(shù)。
根據(jù)設計要求，Happy Boy的設計目標是初級教練機，主要設計指標為穩(wěn)定性好與航時盡量長。
參考AIAA網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫和《航空模型》上其它飛機的數(shù)據(jù)，一般電動飛機的翼載荷為 4. 2 kg/m2。
參考《航空模型》上的經(jīng)驗數(shù)據(jù)可知，電動模型每磅重量應有 50～60 瓦的功率，約合 110~130W/kg，暫取最大功率重量比為 120 w/kg。
廠家給出的飛機性能參數(shù)如下：
表 3-1 Happy Boy 性能參數(shù)
Happy Boy 性能參數(shù)
翼展
全長
主翼面積
全備重量
翼載荷
840mm
780mm
19 d
450g
25g/ d
由表3-1可推算出：Wto / S = 25
Wto= S × 25 = 19 × 25 = 475 g
4 推進系統(tǒng)的設計與計算分析
電動飛機的推進系統(tǒng)有四個主要的組成部分：動力電池組、調(diào)速器、馬達和減速器、螺旋槳。其中采用直接驅(qū)動方式的推進系統(tǒng)不含減速器。動力電池是整個推進系統(tǒng)的能源，它同時為馬達和無線電接收系統(tǒng)供電，保證推進系統(tǒng)和無線電接收、控制系統(tǒng)的正常工作。調(diào)速器是輸出功率的調(diào)節(jié)器，它接受接收機的油門通道信號，輸出與油門桿位置相對應的馬達驅(qū)動電壓，達到控制輸出功率的目的。馬達是推進系統(tǒng)的執(zhí)行部分，它在驅(qū)動電壓下工作，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，最終帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生所需的拉力。減速器用以協(xié)調(diào)馬達和螺旋槳間高效率時的轉(zhuǎn)速。推進系統(tǒng)的連接框圖如圖4-1 所示，原廠配備的電動機和電子調(diào)速器實物如圖 4-2 所示。
圖 4-1 推進系統(tǒng)原理圖
圖 4-2 推進系統(tǒng)實物
4.1 推進系統(tǒng)特性計算和分析
4.1.1 動力電池的特性分析
目前可以用來作為模型動力電源的電池種類主要為以下幾種：鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池。用于衡量電池優(yōu)劣的指標主要是：能量比和功率比。能量比即電池的容量與重量之比，通常用 mAh/g 表示，其值越高說明同樣容量下，電池的重量越輕。功率比通常用電池的放電倍率來表示，就是指電池的最大連續(xù)放電電流與電池容量 C 的比值。通常在容量C 前加一個數(shù)字表示。例如某種 1800 毫安時電池的放電倍率是 10C，即表示此種電池的最大連續(xù)放電電流為18安培。此外，對動力電池的要求還有耐過充電與過放電能力，以及能否適應急充電的能力。把三種類型的電池作一下比較，由表 4-1 中可以發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的能量比最高，因為它的單體電壓為 3.7 V，鎳鎘電池最低。鎳鎘電池的放電倍率最高，鋰離子電池最低。考慮到現(xiàn)實情況要求，采用并聯(lián)的鋰聚合物電池組，它滿足最大電流要求時重量比鎳鎘稍微重了一點，但卻能夠極大地增加航時。
隨著近幾年來電子科技的發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)逐漸普及，價格也有所下降，特別是它重量輕大容量和無記憶效應的特點，在現(xiàn)實生活中使用的越來越頻繁。Happy Boy 本身翼展小，重量輕，不適合使用重量和體積過大的電池，所以鋰離子電池是它的首選，并且近些年鋰電池的普及也是航模運動發(fā)展的方向。
表 4-1 電池參數(shù)比較
電池類型
單體電壓
mAh/g
放電倍率
價格
備注
鎳鎘電池
1.2V
34
15C~20C
一般
充、放容易，耐過充、放電，有記憶效應。自放電。
鎳氫電池
1.2V
68
10C~12C
一般
充、放容易，耐過充、放電，無
記憶效應。自放電。
鋰離子電池
3.7V
39
5C~6C
昂貴
需用專用充電器，不可過充、放
電，無記憶效應，自放電極少
4.1.2 馬達特性分析
在Happy Boy電動飛機設計方案中采用的是永磁體的直流有刷電機。對于直流有刷電機而言，體現(xiàn)其性能的參數(shù)主要為：電樞電阻Ra，轉(zhuǎn)速特性系數(shù)Kv，力矩特性系數(shù)Kt，空載電流i0；。馬達轉(zhuǎn)動時它符合以下幾個方程：
Ea=Kv×n （4-1）
工作狀態(tài)的電動機的電路示意圖如 4-3 所示?？紤]電池組內(nèi)阻，電動機工作時整個系統(tǒng)的方程為
Vb= Ea+ ia×（Ra+ Rb） （4-2）
Q =Ta=Kt×（ia－i0） （4-3）
ηm= Q×2 nπ/[60（Ea+ ia×Ra）×ia] （4-4）
其中：Vb 為總電壓（非電池組兩端電壓）
Rb 電池組的內(nèi)阻
Q 電動機負載
ηm 電動機效率
圖 4-3 馬達工作電路圖
Happy Boy 配備的是370電動機：適用電壓 U = 6 - 8.4 V （取標準值7.4V）
工作電流 I = 8 A
由此可推算出電動機功率：P = U × I = 7.4 × 8 = 59.2 W
在一定的電壓下，電機的轉(zhuǎn)速隨著負載的增加而線性減小，電流隨著負載的增加而線性增加，其效率首先是曲線增加，達到最大值后曲線降低。若負載為零，則此時電流即為空載電流。應該注意的是，電機最高效率時的負載要比輸出功率最大時的負載小，此時的轉(zhuǎn)速也相當高，直接驅(qū)動大的螺旋槳將會因過載而損壞電機，但是，一個大直徑低轉(zhuǎn)速的螺旋槳將卻是高效率的，因此兩者之間需要一個減速器來協(xié)調(diào)。
4.1.3 螺旋槳特性分析
螺旋槳就是一個旋轉(zhuǎn)的翼面，流過槳葉的流場由兩部分組成：一個是飛機前飛引起的流場，另一個是槳葉旋轉(zhuǎn)引起的流場。這兩個流場的疊加就是氣流相對于槳葉的實際有效速度和迎角。根據(jù)槳葉翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)可以確定作用在槳葉上的升力和阻力，進而得到螺旋槳的推力和扭矩。螺旋槳的制造商一般只給出了直徑和螺距，而真正能表達螺旋槳特性的參數(shù)是：推力系數(shù)CT，扭矩系數(shù)CQ，功率系數(shù)CP，螺旋槳效率ηP。這些參數(shù)都和螺旋槳的進距比J有關。模型器材中原廠配備的是1047槳，這種槳價格便宜，不易損壞，廣泛的使用在初級模型器材中。
4.1.4 減速器特性分析
在整個推進系統(tǒng)中，減速器只有效率影響整個推進系統(tǒng)的特性。減速器的效率只和其制造精度、磨損程度有關，而和其轉(zhuǎn)速沒有太大的關系，因此應該注意對減速器的潤滑保養(yǎng)。使用中應特別注意避免因為碰撞而造成軸的彎曲和齒輪的損壞，這樣將造成其效率急劇下降，甚至報廢。
“Happy Boy”電動模型上采用的是和“370”馬達配套的減速比為3.3 的偏心式齒輪箱減速器見圖4-4，其迎風面積小，結(jié)構簡單價格便宜。這種齒輪箱可配合小動力或中等動力電機。偏心式齒輪箱最大的缺點是不能安裝在機頭空間較小的模型飛機上（因為偏心軸需要占據(jù)一定空間）；并且電機需要反轉(zhuǎn)（輸出軸與電機軸反向運轉(zhuǎn)）；還會對電機軸承施加一些側(cè)壓。
圖4-4 370減速組
一般的改進方式是采用斜齒輪，由于齒輪之間接觸面的增加，相互嚙合的輪齒間轉(zhuǎn)動會更平滑，能增加齒輪箱的負載能力和運行平順性，同時可以將電機軸的鋼制齒輪換成黃銅齒輪，使運行更加平滑降低噪音。借鑒國外的經(jīng)驗，減速器的效率ηg=0.90。
4.1.5 調(diào)速器特性分析
調(diào)速器是一個復雜的電子器件，由于是通過它向馬達供電，在飛行狀態(tài)中，馬達的工作電流約在5安培，起飛狀態(tài)的工作電流可能會達到 15 安培。因此調(diào)速器的內(nèi)阻成了一個非常重要的參數(shù)，我們希望其電阻盡可能地小，這樣調(diào)速器所耗的電能將會減小，其工作時產(chǎn)生的熱量也小，有助于延長調(diào)速器的壽命。非常遺憾的是，制造商并沒有提供其內(nèi)阻，計算中我們只好假設其內(nèi)阻為零，這可能使可用功率的計算比實際情況偏高。在調(diào)速器的選擇時，主要考慮以下幾個性能參數(shù)：最大工作電壓，連續(xù)工作電流，斷電電壓，重量，尺寸。BEC 性能——Battery Eliminator Circuit：利用動力電池組向無線電接收、控制系統(tǒng)供電；電池電壓過低時，停止向電機供電，保證無線電接收機和舵機的正常供電，使飛機不致失控——幾乎所有的調(diào)速器都能滿足。Happy Boy原廠配備的是由西安集成電路設計有限公司出品的Sunrp牌15A智能電子調(diào)速器，它的技術參數(shù)如下表所示。
表 4-2 5A智能電子調(diào)速器性能參數(shù)
工作電壓
7.4V～11V
連續(xù)工作電流
15A
重量
9g
BEC
5V/1A
開關頻率
3kHz
外形尺寸（mm）
21×13×5
5 各部件的初步設計
在選定飛機的主要參數(shù)之后，就可以對全機各主要部件的幾何參數(shù)進行初步計算，現(xiàn)分述如下。
5.1機身外形設計
由于“Happy Boy”遙控電動飛機的最大設計平飛速度也不過 10m/s，屬于低速飛機之列
5.1.1 機身的主要幾何參數(shù)
飛機機身外形設計的主要幾何參數(shù)是其總長度 L身 和最大橫截面積 S身 。在選擇參數(shù)時，還經(jīng)常用到這兩個幾何參數(shù)的比值所構成的相對參數(shù)——機身的長徑比
λ身= L身 / S身 （5-1）
式中S身對于圓形截面機身即為機身最大直徑，對于非圓形機身，則為其最大橫截當量直徑長徑比 λ身 是機身一個很重要的幾何參數(shù)，它代表了機身幾何外形最主要的特征，對機身的氣動阻力和機身結(jié)構等方面的特性都有直接的影響。
5.1.2 機身幾何參數(shù)
1.機身最大橫截面面積的初步確定
在機身翼盒段，布置了接收機，舵機等有效載荷，加上各種操縱的導線在總裝完成后也聚集于此，所以此處成為了最有可能的最大截面處，根據(jù)接收機體積，權衡有效載荷的可能形狀和體積，經(jīng)測量得出高 95 mm，寬 50 mm 的矩形截面。
根據(jù)公式： S身 = 95 × 50 = 4750
2、機身長度及機身長徑比的確定
機身長度基本上是由電動機安裝長度+電池長度+尾力臂+尾翼根弦長的總和決定的，只要在其間適當留有余地用于隔框、起落架等結(jié)構的設計就可以了。由飛機的技術參數(shù)可知機身總長是 L身 = 780 mm。
那么由 5-1 式可得： λ身= L身 / S身 = 780 / 4750 = 0.16
5.1.3 機身外形的初步設計
在機身外形的初步設計時，選取了四個控制截面，即機身最前端（由電動機的截面尺寸確定）翼盒段前后緣（機身的最大截面）及機身最后端（由尾翼的安裝要求確定）。為了在機身制作時加工容易，其間的過渡全部采用直線過渡，由于飛機速度不高，這樣并不會造成很大的阻力。
5.2 機翼外形初步設計
圖 5-1 機翼平面
機翼是飛機上最為重要的部件，對飛機的飛行性能影響極大，同時與機身結(jié)構和飛機總體布局也有關系。機翼外形初步設計的主要任務是選擇合適的翼型、確定機翼平面形狀的幾何參數(shù)、確定增升裝置和副翼的幾何參經(jīng)測量機翼平面圖如圖5-2所示：
5.3 尾翼外形初步設計
尾翼的主要作用是保證全機的穩(wěn)定性與操縱性，應根據(jù)設計要求中對飛機操穩(wěn)性的規(guī)定來設計。尾翼的設計參數(shù)與飛機的形式及全機氣動布局有關，但反過來，尾翼參數(shù)又會影響全機的氣動外形，因此，尾翼的參數(shù)不可能一次確定。
圖 5-2 平尾平面圖
圖 5-3 垂尾平面圖
5.4 起落架位置的確定
材料選用 3mm 的鋼絲。Happy Boy采用后三點式起落架，前起落架安裝在機身加強框上，后起落架安裝在尾部。之所以把主起落架安裝在機翼上，主要是出于減重方面的考慮。根據(jù)經(jīng)驗，主輪距應為翼展的 1/4～1/3，即太大會增加機翼的結(jié)構重量，太小又難以滿足地面滑跑時的橫側(cè)穩(wěn)定性要求。如果主起落架裝在機身上，則因外撇角過大而導致剛度不足，需要在兩個起落架間拉一根鋼絲，其總重量比直接裝在機翼上還大，但由于起落架的跨度不大，所以不用加拉線。
根據(jù)要求，主輪距的范圍是：840 ×1/3 = 280 mm 至 840 ×1/4 = 210 mm
經(jīng)實際測量，Happy Boy 的主輪距是135 × 2 = 270 mm ，符合設計要求。
5.5 操縱系統(tǒng)的初步設計
操縱系統(tǒng)初步設計的主要任務是制定控制方案、選擇舵機、合理布置舵機的位置。
首先根據(jù)舵面上力的大小和舵面的重要性確定需要采用何種型號的舵機。選擇舵機時主要考慮兩個參數(shù)：體積，扭矩。舵機的尺寸愈大，它占的空間也愈大，重量也會增加，但體積小的舵機價格昂貴。舵機的扭矩愈大，它耗的電能愈大，同樣價格昂貴。綜合考慮體積控制方案擬定如下：控制方向舵和升降舵的舵機安裝于機身翼盒中，2mm 鋼絲制成的連桿操縱方向舵及升降舵上的搖臂，控制舵面的偏轉(zhuǎn)。
6 總體布置
為了減輕結(jié)構重量，在操縱系統(tǒng)初步設計時已考慮將操縱方向舵和升降舵的兩個舵機置于翼盒后端，這使得飛機重心后移，為了使飛機重心位置在一個合適的范圍內(nèi)變化，將重量較大的電池放到了機身翼盒前段。接收機，有效載荷安置于機身翼盒前段，這樣可使得由于有效載荷的變化引起的全機重心位置移動量最小。
7 結(jié)構設計
機身受力主要有螺旋槳拉力、機翼機身接頭傳來的氣動力、尾翼傳來的氣動力和內(nèi)部裝載物的重力，可近似等效成幾個集中力進行分析。
7.1 機身結(jié)構設計
機身上的主要載荷是由與機身相連的其他部件（機翼、尾翼、動力裝置、起落架）傳給機身的集中力，因此，機身的結(jié)構設計時的首要任務就是要考慮如何承受來自其他部件的集中力并以較為合理的方式分散給機身上的各承力構件。
7.1.1 電動機與機身連接的結(jié)構設計
電動機是設計的Happy Boy遙控電動飛機帶動螺旋槳產(chǎn)生拉力的動力裝置，其產(chǎn)生的最大拉力大于 1000 克，它對機身的作用力主要是沿 X 軸的拉力和連接面的剪力。它與機身的連接方式如圖 7-1 所示：
圖7-1 電動機與機身連接方式
電機是固定在370減速組上的， 減速組通過一顆螺釘套在主梁上，主梁和機身通過強力膠與機身框架進行粘接，粘接點分別在圖中的1，3處，由于考慮到主梁是承載這個飛機與電動機的連接部件，為了增加強度，可在圖中2處增加一個薄板，主梁粘接在薄板上，薄板粘接在機身上。這樣由原來的兩點固定改為兩點與一個平面共同固定，使強度增加，薄板是輕木材質(zhì)，質(zhì)量可忽略不計，所以不會增加飛機重量。
圖7-2 主梁與機身連接方式
7.1.2 機翼與機身連接的結(jié)構設計
機翼是飛機產(chǎn)生升力的主要部件，在我考慮的幾種設計狀態(tài)下，由于機動或者突風的影響，飛機的過載系數(shù)往往是大于 1 的，這就使得機翼傳給機身的力往往是數(shù)倍于飛機本身的重量，為了攜帶方便，應將機翼設計成可拆卸的。航模飛機機翼的固定方式大致分為兩種，一種是螺栓固定，另一種是橡皮筋固定。螺栓固定法可靠，結(jié)構復雜，重量大，安裝麻煩；橡皮筋固定法結(jié)構簡單適合小型飛機，安裝方法簡單。Happy Boy屬于小型飛機，用橡皮筋完全能夠滿足要求，所以原機中機翼與機身通過橡皮筋固定。固定方式見圖7-3所示，1，2為固定棒，貫穿于機身之中，3是橡皮筋兩端套在固定棒上，沿機身軸線左右各一根，將機翼4穩(wěn)定的固定在機身5上。
圖7-3 機翼固定方式示意圖
7.1.3 尾翼與機身連接的結(jié)構設計
1 水平尾翼與機身的連接
由于平尾上所受氣動載荷較小，故在平尾與機身連接時將平尾直接膠結(jié)在機身尾段，其結(jié)構形式可見圖 7-4。
圖 7-4 水平尾翼與機身的連接圖
2 垂直尾翼與機身連接的結(jié)構設計
在垂尾的下緣設計了一根緣條，用以增大垂尾與機身尾段的接觸面積，提高接觸面的膠結(jié)強度。垂尾和機身的連接同樣采取直接膠結(jié)的方式，如圖 7-5 所示：
圖 7-5 垂尾與機身的連接圖
8 航模飛機的改進
飛機的改進主要包括以下兩個方面：
1. 動力系統(tǒng)的改進
2. 起落架的改進
8.1 動力系統(tǒng)的改進
原機配備的是370直流永磁電機，現(xiàn)在就這種電機介紹直流永磁電動機的特性
8.1.1基本結(jié)構及工作原理
航模所用的動力電機大部分為直流永磁電機，它的鐵殼里有一對瓦形磁鋼和一個轉(zhuǎn)子。在轉(zhuǎn)子上除了硅鋼片鐵芯和繞在它上面的線圈之外，還有一個圓柱形換向器。換向器由相互靠的很近而又相互絕緣的銅制換向片構成。換向片的數(shù)目同繞組的數(shù)目相等，通常為三個，稱為三季式，高級電機也有五級和七級的，但不能為雙數(shù)。
電機外殼是用鐵制成的，即起支架作用又可與瓦形磁鋼一起形成磁回路。兩塊磁鋼以不同的極性相對設置。轉(zhuǎn)子線圈的每一組引出線首尾相連，形成封閉回路。每個街頭又分別與對應的換向片相連接。
電機的另一 重要部件是一對電刷，它依靠彈力壓在換向器上，可以相互滑動。電機電源的正負極分別同這兩個電刷相連，連通電源后整個轉(zhuǎn)子（包括鐵芯，線圈，換向器和轉(zhuǎn)軸）就會轉(zhuǎn)動起來
當圖a中電刷“+”與電刷“-”分別接通電源時，電流從正極通過電刷流到換向片3，然后分成兩路：一路流經(jīng)線圈3，換向片1和電刷“-”，流回電源負極；另一路經(jīng)過線圈2，換向片2和電刷“-，流回電源負極。根據(jù)右手螺旋定則，可以判定電流在線圈2和線圈3中所形成的磁場極性如圖1a所示。根據(jù)同性相斥，異性相吸的原則，線圈2和線圈3的磁場分別同電機的兩塊磁鋼相互吸引和排斥，結(jié)果使轉(zhuǎn)子向逆時針方向轉(zhuǎn)動。途中1的兩端所連接的換向片1，換向片2此時都與電刷“-”相連，因而沒有電流流過，不產(chǎn)生磁場。
當轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過30°之后，圖形如圖b所示。此時三個線圈都有電流流過，所產(chǎn)生的磁場如圖中所標。它們同磁鋼相互作用的結(jié)果會使轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動。
總之，只要接通電源電機軸將會沿逆時針方向不停地旋轉(zhuǎn)；而若電源反接，電機將會向反方向轉(zhuǎn)動。5級式和7級式電機原理和3級式是一樣的。
圖8-1 直流永磁電機原理圖
圖 A 圖 B
8.1.2 常用鐵氧體電機的品種規(guī)格及選用
直流電機的磁鋼材料有稀土磁鋼和鐵氧體兩種，目前所用的大部分都是鐵氧體磁鋼。
表中列出了我國常用的鐵氧體電機的部分技術數(shù)據(jù)供參考。
表8-1 鐵氧體電機數(shù)據(jù)
系列號
540
480
370
180
130
030
外徑（mm）
35.7
27.7
24.4
20
20
15.3
長度(mm)
50
47
30.8
32
25
18.8
重量(g)
145-173
95-104
44-51
32-33
17.5-22.5
10.5
軸徑(mm)
3.17
2.3
2
2
2
1.5
適用電壓V
7.2-9.6
7.2-9.6
6-8.4
4.8-7.2
3.6-4.8
3.6-4.8
最大電流A
15
12
8
5
2.5-3
2
540電機通常用于翼展1700-2000mm；重量在1000-1400g的大型電動滑翔機模型中，也可用在與此對應的電動模型飛機中。130電機適用于120克以下的小飛機上，180電機適用于240克以下的電動滑翔機等模型飛機。030電機屬于更輕小的電機，一般用于超小型模型飛機上。
原廠配備的就是表中所列370型號電機，它的外形尺寸同過去日本的280電機相同，但輸出功率和工作效率都大有提高，重量也相對較輕。370電機常用于重量在380克左右的模型飛機上。這也是為什么廠家要配備這一型號電機的原因。
8.1.3 改進措施
目前，無刷電動機應用的十分廣泛，它的優(yōu)點在前章已經(jīng)闡述，所以我的改進方法就是將原有的直流永磁電機改為外轉(zhuǎn)子無刷電動機。
8.1.3.1 無刷式直流電機的應用與原理
其實，無刷電機與無刷電機電子調(diào)速器人們早就在工業(yè)領域運用了，但傳統(tǒng)的無刷電機控制主要用霍爾傳感器來為無刷電機作換相檢測，而航模用無刷電機通常是不用傳感器來檢測電機換相的。我們稱這種無刷電機為無感無刷電機。要驅(qū)動控制無感無刷電機按我們的需要運行起來，用傳統(tǒng)的數(shù)字電路幾乎無法實現(xiàn)，因為它的控制機理十分復雜，即使傳統(tǒng)數(shù)字電路能夠?qū)崿F(xiàn)對無感無刷電機的運行控制，那也必然是一塊幾何尺寸和重量都相當可觀的復雜裝置，這樣的話，它就顯然不適合航模控制電路輕量化和小型化的要求。所以我們眼下看到的無感無刷電機電子調(diào)速控制器（業(yè)內(nèi)俗稱“無刷電調(diào)”）無一例外都是采用微處理器作為核心器件，通過相當復雜的動態(tài)計算來實現(xiàn)對無感無刷電機的調(diào)速控制的。
在航模領域，用無刷電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有刷電機之所以已成必然，是因為作為電動航模動力組的電機