附件5
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 院
工程學(xué)院
姓 名
指導(dǎo)教師
論文（設(shè)計(jì)）
題 目
航模飛機(jī)的原理分析及其改進(jìn)
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）前期工作小結(jié)
在做畢業(yè)設(shè)計(jì)前期，主要工作是搜集資料，準(zhǔn)備模型器材，上網(wǎng)搜集相關(guān)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(xué)習(xí)和掌握相關(guān)內(nèi)容，我搜集了《航空模型》，《模型飛機(jī)飛行原理》，《飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》等相關(guān)書籍，以供參考。
2.準(zhǔn)備模型器材：為了理論與實(shí)踐相結(jié)合，更好的完成設(shè)計(jì)，我準(zhǔn)備了“利誠(chéng)模型制作設(shè)計(jì)有限公司”出品的“Happy Boy”初級(jí)航模飛機(jī)和“Futaba”出品的四通道4EX遙控器一套，另外還有改進(jìn)飛機(jī)所用的無(wú)刷電機(jī)，電子調(diào)速器和輕木條，鋼絲等零件。
3.上網(wǎng)搜集相關(guān)信息：通過互聯(lián)網(wǎng)，訪問相關(guān)論壇（模型中國(guó)論壇）和登錄航模生產(chǎn)廠家的網(wǎng)站，了解現(xiàn)在的市場(chǎng)行情和近幾年來(lái)應(yīng)用在航模中的新技術(shù)。
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中期工作小結(jié)
有了充分的前期準(zhǔn)備工作，中期主要工作是畢業(yè)設(shè)計(jì)主體的制作。
首先是認(rèn)真的閱讀相關(guān)書籍，學(xué)習(xí)飛機(jī)設(shè)計(jì)的理論知識(shí)，飛機(jī)結(jié)構(gòu)的相關(guān)布局，大致了解空氣動(dòng)力學(xué)等專業(yè)知識(shí)。系統(tǒng)的學(xué)習(xí)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(duì)航空模型飛機(jī)的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行闡述，掌握它的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，對(duì)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(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的探討。對(duì)航空模型飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)的選擇和電源的選擇進(jìn)行了分析，為下一步的改進(jìn)做好基礎(chǔ)。
最后是和機(jī)械設(shè)計(jì)制造專業(yè)相結(jié)合，利用CAXA軟件繪制“Happy Boy”的設(shè)計(jì)圖紙，可以客觀的從專業(yè)角度了解模型的原理。
指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師簽名：
本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中期匯報(bào)表
填表日期：
本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書
論文題目
航模飛機(jī)的原理分析及其改進(jìn)
學(xué)院名稱
工程學(xué)院
姓名
專業(yè)班級(jí)
指導(dǎo)教師
課題類型
應(yīng) 用
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的內(nèi)容摘要
1、通過查閱一定量的文獻(xiàn)資料，掌握航空模型的設(shè)計(jì)方法及相應(yīng)軟件的使用；
2、進(jìn)行航模的實(shí)體造型；
3、確定航模改進(jìn)的最佳設(shè)計(jì)方案，并據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和設(shè)計(jì)；
4、做出此航模的三維裝配效果圖（UG或Pro/E）。
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）基本要求及工作量要求
1、完成航模的實(shí)體造型；
2、對(duì)所選擇的航模結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，完成改進(jìn)部分的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)）的主要階段計(jì)劃（分前期、中期、后期）
1、1~2周文獻(xiàn)資料查詢；
2、3~11周完成設(shè)計(jì)工作并撰寫畢業(yè)論文，提交初稿并進(jìn)行修改；
3、12~13周對(duì)論文進(jìn)行完善，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
任務(wù)下發(fā)日期
完成日期
系主任 主管教學(xué)院長(zhǎng)審批（簽字）：
附件2
學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）（黑體、小四號(hào)字）
航模飛機(jī)的原理分析及其改進(jìn)
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
所在學(xué)院：
專 業(yè)：
中國(guó)·大慶（宋體、三號(hào)、字間距加寬1磅）
2005（times new roman） 年 6 月（宋體、三號(hào)）
樣本
封面的頁(yè)面設(shè)置
學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）（黑體、小四號(hào)字）
學(xué)士學(xué)位畢業(yè)設(shè)計(jì)
航模飛機(jī)的原理分析及其改進(jìn)
學(xué)生姓名：
指導(dǎo)教師：
所在學(xué)院：
專 業(yè)：
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
學(xué)生姓名：
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
設(shè)計(jì)(論文)題目： 航模飛機(jī)的原理分析及其改進(jìn)
指導(dǎo)教師：
年 3 月 15 日
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告
文 獻(xiàn) 綜 述
1、無(wú)線電遙控飛機(jī)的意義
人類自古以來(lái)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(jī)發(fā)明之前，航空模型具有強(qiáng)烈的探索性質(zhì)，飛機(jī)發(fā)明之后航空模型仍然是研究航空科學(xué)的必要工具。
我國(guó)古代就有用風(fēng)箏測(cè)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(wú)線電遙控模型飛機(jī)的不斷完善，航空模型的用途越來(lái)越廣泛。如：可以利用遙控模型飛機(jī)進(jìn)行航空航天領(lǐng)域的科學(xué)研究；作為部隊(duì)對(duì)空射擊訓(xùn)練的靶機(jī)；也可以在遙控模型飛機(jī)上裝上攝像機(jī)進(jìn)行航拍；利用模型飛機(jī)進(jìn)行遙控遙測(cè)，利用航模飛機(jī)攜帶農(nóng)藥滅蟲；利用遙控模型飛機(jī)進(jìn)行商業(yè)活動(dòng)、節(jié)日慶典活動(dòng)作飛行表演等等。
美國(guó)防部利用無(wú)人駕駛飛行器已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史。早在越南戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代，美國(guó)防部就使用了無(wú)人駕駛飛機(jī)（如：BQM－34A“火蜂”）和遙控飛行器。不同類型、形狀、型號(hào)和能力的無(wú)人駕駛飛行器一直服役于美國(guó)武裝部隊(duì)，主要用來(lái)從事情報(bào)搜集、監(jiān)視、偵察，以及目標(biāo)探測(cè)活動(dòng)。但局限于當(dāng)時(shí)的科技水準(zhǔn)，再加上回收時(shí)存在重要技術(shù)難題，當(dāng)時(shí)采用降落傘和阻攔網(wǎng)技術(shù)，現(xiàn)在流行的全自控或遙控滑行著陸技術(shù)由于條件所限難以做到，使得人機(jī)的任務(wù)成功率非常低。美國(guó)國(guó)防部自從20世紀(jì)60年代以來(lái)，在無(wú)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(guó)武裝部隊(duì)當(dāng)時(shí)既沒有一整套使用無(wú)人駕駛飛行器的最佳操作規(guī)程和戰(zhàn)術(shù)策略，也沒有建成一支強(qiáng)大的無(wú)人駕駛飛行器部隊(duì)，由于技術(shù)問題和缺乏作戰(zhàn)能力，大部分無(wú)人駕駛飛行器計(jì)劃被擱置。早期的無(wú)人駕駛飛機(jī)除了具備讓飛行員免受傷害的優(yōu)勢(shì)之外，并沒有展現(xiàn)出比有人駕駛飛機(jī)更多的優(yōu)勢(shì)。
自從美國(guó)在越戰(zhàn)中首次使用“火蜂”無(wú)人機(jī)從事偵察以來(lái)的幾十年中，世界各國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)的研究就沒有中斷過，特別是最近十幾年，隨著各項(xiàng)相關(guān)科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)、維護(hù)、訓(xùn)練成本 機(jī)動(dòng)靈活，隱蔽性好，不懼傷亡，生命力強(qiáng)，起降簡(jiǎn)單，操縱靈活等優(yōu)點(diǎn)逐步顯示出來(lái)，成為飛機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。
實(shí)踐證明，無(wú)人機(jī)在軍用和民用方面都有著廣泛的用途。
軍事方面，無(wú)人機(jī)攜帶不同的戰(zhàn)斗裝備，可用于執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)偵察、監(jiān)視、電子干擾、戰(zhàn)斗評(píng)估、雷達(dá)誘騙、目標(biāo)指示、精確打擊、定點(diǎn)轟炸、縱深攻擊、反裝甲、反輻射、反艦艇，甚至攔截戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈等多種作戰(zhàn)任務(wù)。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)以及曠日持久的反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)都大顯身手，屢出風(fēng)頭。
無(wú)人機(jī)的民用價(jià)值也很高，它可以廣泛用于邊境監(jiān)視、地面和海洋運(yùn)輸監(jiān)督、森林火情偵察和森林采伐的巡察、氣象監(jiān)測(cè)、人工降雨、大地測(cè)量、海岸巡邏、水災(zāi)監(jiān)視、交通管理、地球資源勘探、高壓線路故障巡視監(jiān)測(cè)、場(chǎng)區(qū)監(jiān)控、城市環(huán)境監(jiān)測(cè)等十多個(gè)民用領(lǐng)域，市場(chǎng)前景十分廣闊。
2、無(wú)線電遙控飛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)研制無(wú)人機(jī)已有四十多年的歷史，先后研制成功長(zhǎng)空一號(hào)無(wú)人靶機(jī)系列、長(zhǎng)虹高空高速無(wú)人偵察機(jī)、T-6通用型無(wú)人機(jī)、Z-5系列無(wú)人偵察機(jī)、ASN系列無(wú)人機(jī)等。開發(fā)出的數(shù)十種靶機(jī)和偵察型無(wú)人機(jī)，已能批量生產(chǎn)和裝備部隊(duì)，廣泛應(yīng)用于晝夜空中偵察、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視、目標(biāo)定位、校正火炮射擊、戰(zhàn)場(chǎng)毀傷評(píng)估、邊境巡邏等軍事領(lǐng)域和航空攝影、地球物理勘探、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、海岸緝私等民用領(lǐng)域。
美國(guó)在電動(dòng)無(wú)人機(jī)的發(fā)展上走的比較靠前。由Cessna公司和美國(guó)海軍研究局美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)主辦的大學(xué)生設(shè)計(jì)/制作/試飛競(jìng)賽已經(jīng)連續(xù)成功舉辦了幾屆。競(jìng)賽通過專家、評(píng)委對(duì)設(shè)計(jì)報(bào)告和飛行過程的綜合打分，確定各參賽隊(duì)的成績(jī)，對(duì)于進(jìn)入前三名的隊(duì)伍分別給予2500、1500和1000美元的現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)。這項(xiàng)競(jìng)爭(zhēng)吸引了全美幾十所大學(xué)航空相關(guān)專業(yè)的學(xué)生組隊(duì)參加，通過親自參與小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)、制作與試飛的全過程，使他們有機(jī)會(huì)將大學(xué)中所學(xué)知識(shí)綜合運(yùn)用，在實(shí)踐中得到鍛煉，并極大的促進(jìn)了電動(dòng)無(wú)人機(jī)事業(yè)的發(fā)展。近兩年來(lái)，加拿大、意大利、土耳其的幾所大學(xué)也開始組隊(duì)參賽，并取得了不錯(cuò)的成績(jī)，競(jìng)賽主辦者還向日本、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和俄羅斯等國(guó)家的大學(xué)發(fā)出了邀請(qǐng)，意圖使使這項(xiàng)賽事向國(guó)際化方向發(fā)展，在全世界范圍內(nèi)促進(jìn)電動(dòng)無(wú)人機(jī)事業(yè)的發(fā)展。
限制無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域應(yīng)用的主要因素不在于飛機(jī)本身，而在于相關(guān)領(lǐng)域的配套研發(fā)工作嚴(yán)重滯后，無(wú)法滿足該領(lǐng)域內(nèi)的任務(wù)要求，使無(wú)人機(jī)處于“有槍無(wú)彈”的尷尬境地。隨著配套研發(fā)工作的逐步進(jìn)行，這一現(xiàn)象有望在未來(lái)幾年得到改變。相對(duì)于以往的油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，以各種電池作為能源，電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，更加的安靜、清潔、環(huán)保、無(wú)毒害，使電動(dòng)無(wú)人機(jī)成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)。然而，在輸出功率相同的情況下，電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)要比油動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)重的多，為達(dá)到相同的設(shè)計(jì)性能，將對(duì)飛機(jī)的制造工藝提出更高的要求，這在很大程度上限制了電動(dòng)無(wú)人機(jī)的發(fā)展。
作為軍用及民用無(wú)人機(jī)的雛形,航模運(yùn)動(dòng)在我國(guó)發(fā)展已有幾十年的歷史，但介于各種原因此項(xiàng)活動(dòng)沒有被廣泛推展開來(lái)。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(guó)品牌所占有，價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)的大多是初級(jí)入門級(jí)產(chǎn)品，且相關(guān)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(dòng)手改裝飛機(jī)。
在國(guó)內(nèi),改裝航空模型大多局限于專業(yè)人士,對(duì)于大眾的普及還很遠(yuǎn)。主要原因是航模雖然看似簡(jiǎn)單,但其設(shè)計(jì)原理,氣動(dòng)布局,組織結(jié)構(gòu)都與真飛機(jī)相似,涉及相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域較多，如無(wú)線電學(xué)，空氣動(dòng)力學(xué)，理論力學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)及其原理等許多學(xué)科，專業(yè)性強(qiáng)。
目前市場(chǎng)上常見的初級(jí)入門級(jí)航模大多采用普通370有刷電機(jī)，這種電機(jī)的特點(diǎn)是價(jià)格便宜，耗電量大發(fā)熱多，扭矩小需要安裝減速機(jī)構(gòu)。機(jī)輪固定，在跑到滑行時(shí)無(wú)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(wú)刷外轉(zhuǎn)子電機(jī)，其特點(diǎn)是價(jià)格昂貴省電，發(fā)熱量小，扭矩大，并且大多數(shù)高端機(jī)起落架可以轉(zhuǎn)向甚至收回機(jī)艙內(nèi)。通過這次設(shè)計(jì)，將對(duì)航模飛機(jī)進(jìn)行深入分析，掌握其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和飛行原理。并在初級(jí)入門級(jí)飛機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到理想的目的要求。
參考資料
[1 ] 朱寶流，高國(guó)鈞，施定邦著. 模型飛機(jī)飛行原理. 上海教育出版社. 1980.
[2 ] 武 哲,謝 礎(chǔ). 航空模型. 航空知識(shí)雜志社. 2006,第五期.
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 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(jìn)
本次設(shè)計(jì)是在本人現(xiàn)有的航空模型飛機(jī)套材”Happy Boy”的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行深入的分析，掌握航模飛機(jī)的設(shè)計(jì)原理，并且優(yōu)化改進(jìn)飛機(jī)的動(dòng)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(jī)的飛行原理
2. 理解飛機(jī)的布局結(jié)構(gòu)
3. 掌握內(nèi)部電子電路控制系統(tǒng)的工作原理
4. 改進(jìn)飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)
5. 改進(jìn)飛機(jī)的起落架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)
優(yōu)化后的飛機(jī)將有更強(qiáng)的動(dòng)力，抗風(fēng)性提高，機(jī)身結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng)，并且在地面滑行時(shí)可以轉(zhuǎn)向（原產(chǎn)品無(wú)法轉(zhuǎn)向）。
2、 研究方法
EDS公司的Unigraphics NX是一個(gè)產(chǎn)品工程解決方案，它為用戶的產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工過程提供了數(shù)字化造型和驗(yàn)證手段。Unigraphics NX針對(duì)用戶的虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)的需求，提供了經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的解決方案。Unigraphics NX為設(shè)計(jì)師和工程師提供了一個(gè)產(chǎn)品開發(fā)的嶄新模式，它不僅對(duì)幾何的操縱，更重要的是團(tuán)隊(duì)將能夠根據(jù)工程需求進(jìn)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(shí)，事實(shí)證明為企業(yè)帶來(lái)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(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。作為高等學(xué)校和研究機(jī)構(gòu)來(lái)說，該軟件是進(jìn)行設(shè)計(jì)的重要工具。
在UG模塊中可對(duì)零件模型進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化；在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模塊中，可對(duì)零部件模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，并獲得距離、速度等輸出曲線。
本次設(shè)計(jì)主要通過親自對(duì)航模飛機(jī)進(jìn)行拆分和改裝，并且查閱相關(guān)飛行器設(shè)計(jì)書籍，對(duì)航模的結(jié)構(gòu)和原理充分了解。改進(jìn)方面，將運(yùn)用UG軟件對(duì)航模起落架轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體造型與模擬仿真，驗(yàn)證其可行性。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開 題 報(bào) 告
指導(dǎo)教師意見：
1．對(duì)“文獻(xiàn)綜述”的評(píng)語(yǔ)：
2．對(duì)本課題的深度、廣度及工作量的意見和對(duì)設(shè)計(jì)（論文）結(jié)果的預(yù)測(cè)：
指導(dǎo)教師：
年 月 日
所在專業(yè)審查意見：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
6
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成績(jī)單
院系
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
入學(xué)時(shí)間
學(xué)號(hào)
學(xué)生姓名
何鑫
班 級(jí)
周數(shù)
起止日期
指導(dǎo)教師
程新江
職稱
論文（設(shè)計(jì)）題目
航模飛機(jī)的原理分析及其改進(jìn)
指
導(dǎo)
教
師
評(píng)
語(yǔ)
指導(dǎo)教師簽名
年 月 日
評(píng)
閱
人
評(píng)
語(yǔ)
評(píng)閱人簽名
年 月 日
答辯小組評(píng)語(yǔ)
答辯小組負(fù)責(zé)人簽名 年 月 日
評(píng)分
指導(dǎo)教師
評(píng)閱人
答辯小組
平均分
五級(jí)制等級(jí)
備注：本成績(jī)單一式二份，一份裝訂在畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中，一份入學(xué)生學(xué)籍檔案。
摘要
本文介紹了遙控電動(dòng)飛機(jī)“Happy Boy”的設(shè)計(jì)、工作原理及其改進(jìn)的全過程。文中首先對(duì)小型電動(dòng)無(wú)人飛機(jī)原理進(jìn)行了深入分析，掌握設(shè)計(jì)方法后，在原機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，主要改進(jìn)措施包括：更換飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)以及增加轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。動(dòng)力系統(tǒng)的更換主要表現(xiàn)在使用無(wú)刷電機(jī)代替原有的３７０有刷電機(jī)，因?yàn)闊o(wú)刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是功率大，功耗低，使用壽命長(zhǎng)，由于取消了碳刷，所以產(chǎn)熱量小。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的改進(jìn)是將后三點(diǎn)式起落架改為前三點(diǎn)，并使前輪可以轉(zhuǎn)向，原機(jī)起落架采用后三點(diǎn)固定式起落架，飛機(jī)在滑行過程中無(wú)法轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由曲柄搖桿來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且使用ＵＧ軟件進(jìn)行實(shí)體造型設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：飛機(jī)設(shè)計(jì)；電動(dòng)飛機(jī)；改進(jìn)；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(gòu)型設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.1 機(jī)翼．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2.1.1 機(jī)翼形狀選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2.1.2 機(jī)翼安裝位置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2.1.3 機(jī)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(dòng)機(jī)位置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.4 起落架形式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.4.1 前三點(diǎn)式起落架．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.4.2 后續(xù)三點(diǎn)式起落架．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.5 構(gòu)型方案的選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
3 主要參數(shù)的估算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
4 推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
4.1 推進(jìn)系統(tǒng)性能計(jì)算和分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
4.1.1 動(dòng)力電池的特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
4.1.2 馬達(dá)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(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5.1 機(jī)身外形設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5.1.1 機(jī)身的主要幾何參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5.1.2 機(jī)身幾何參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5.1.3 機(jī)身外形的初步設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
5.2 機(jī)翼外形初步設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
5.3 尾翼外形初步設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
5.4 起落架位置的確定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
5.5 操縱系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
6 總體布置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
7.1 機(jī)身外形設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
7.1.1 電動(dòng)機(jī)與機(jī)身的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
7.1.2 機(jī)翼與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
7.1.3 尾翼與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
8 航模飛機(jī)的改進(jìn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
8.1 動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
8.1.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
8.1.2 常用鐵氧體電機(jī)的品種規(guī)格及選用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
8.1.3 改進(jìn)措施．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
8.1.3.1 無(wú)刷式直流電機(jī)的應(yīng)用與原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
8.1.3.2 無(wú)刷式直流電機(jī)的特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
8.1.3.3 動(dòng)力電源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
8.2 起落架的改進(jìn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
8.2.1 主起落架與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
8.2.2 前起落架與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29
8.2.2.1 機(jī)構(gòu)自由度計(jì)算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
8.2.2.2 機(jī)構(gòu)的控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
9 飛機(jī)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(duì)重心的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
9.1.2 翼型對(duì)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(shè)備．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34
10.1 遙控原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34
10.2 遙控設(shè)備在飛機(jī)上的應(yīng)用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35
11 結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36
參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37
致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．38
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1 緒論
飛機(jī)設(shè)計(jì)是綜合運(yùn)用氣動(dòng)、飛行力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、發(fā)動(dòng)機(jī)原理、電子、控制、材料、制造工藝等多門學(xué)科和專業(yè)的知識(shí)，創(chuàng)造性地構(gòu)思出能滿足某種飛行任務(wù)要求的飛行器的工作過程。
目前在我國(guó)，了解航模飛機(jī)的人并不多，由于觀念和現(xiàn)實(shí)條件的因素，國(guó)內(nèi)的航模普及率遠(yuǎn)不及歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家。每年我國(guó)舉辦的大型航模比賽，參賽院校大多是國(guó)內(nèi)頂尖學(xué)府或者相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)，一般團(tuán)體和個(gè)人很難涉足，這也給航模的普及帶來(lái)了不便。作為一名機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)學(xué)生，同時(shí)也是一名航模愛好者，借此機(jī)會(huì)用所學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)航模飛機(jī)的飛行原理，設(shè)計(jì)方法進(jìn)行深入的分析，結(jié)合現(xiàn)有的資料對(duì)其改進(jìn)。
航模并不是單純的娛樂，有他延伸出的無(wú)人機(jī)早已在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮出重大作用。自從美國(guó)在越戰(zhàn)中首次使用“火蜂”無(wú)人機(jī)進(jìn)行軍事偵察以來(lái)的幾十年中，世界各國(guó)對(duì)無(wú)人機(jī)的研究就沒有中斷過，特別是最近十幾年，隨著各項(xiàng)相關(guān)科技的發(fā)展，無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)、維護(hù)、訓(xùn)練成本低廉，機(jī)動(dòng)靈活，隱蔽性好，不懼傷亡，生命力強(qiáng)，起降簡(jiǎn)單，操縱靈活等優(yōu)點(diǎn)逐步顯示出來(lái)，成為飛機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。實(shí)踐證明，無(wú)人機(jī)在軍用和民用方面都有著廣泛的用途。軍事方面，無(wú)人機(jī)攜帶不同的戰(zhàn)斗裝備，可用于執(zhí)行戰(zhàn)場(chǎng)偵察、監(jiān)視、電子干擾、戰(zhàn)斗評(píng)估、雷達(dá)誘騙、目標(biāo)指示、精確打擊、定點(diǎn)轟炸、縱深攻擊、反裝甲、反輻射、反艦艇，甚至攔截戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈等多種作戰(zhàn)任務(wù)。在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)、阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)以及曠日持久的反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中，無(wú)人機(jī)都大顯身手，屢出風(fēng)頭。無(wú)人機(jī)的民用價(jià)值也很高，它可以廣泛用于邊境監(jiān)視、地面和海洋運(yùn)輸監(jiān)督、森林火情偵察和森林采伐的巡察、氣象監(jiān)測(cè)、人工降雨、大地測(cè)量、海岸巡邏、水災(zāi)監(jiān)視、交通管理、地球資源勘探、高壓線路故障巡視監(jiān)測(cè)、場(chǎng)區(qū)監(jiān)控、城市環(huán)境監(jiān)測(cè)等十多個(gè)民用領(lǐng)域，市場(chǎng)前景十分廣闊。限制無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域應(yīng)用的主要因素不在于飛機(jī)本身，而在于相關(guān)領(lǐng)域的配套研發(fā)工作嚴(yán)重滯后，無(wú)法滿足該領(lǐng)域內(nèi)的任務(wù)要求，使無(wú)人機(jī)處于“有槍無(wú)彈”的尷尬境地。隨著配套研發(fā)工作的逐步進(jìn)行，這一現(xiàn)象有望在未來(lái)幾年得到改變。
相對(duì)于以往的油動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，以各種電池作為能源，電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力系統(tǒng)，更加的安靜、清潔、環(huán)保、無(wú)毒害，使電動(dòng)無(wú)人機(jī)成為一種新的發(fā)展趨勢(shì)。然而，在輸出功率相同的情況下，電動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)要比油動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)重的多，為達(dá)到相同的設(shè)計(jì)性能，將對(duì)飛機(jī)的制造工藝提出更高的要求，這在很大程度上限制了電動(dòng)無(wú)人機(jī)的發(fā)展。美國(guó)在電動(dòng)無(wú)人機(jī)的發(fā)展上走的比較靠前。由 Cessna 公司和美國(guó)海軍研究局資助，美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)主辦的大學(xué)生設(shè)計(jì)/制作/試飛競(jìng)賽已經(jīng)連續(xù)成功舉辦了幾屆。競(jìng)賽通過專家、評(píng)委對(duì)設(shè)計(jì)報(bào)告和飛行過程的綜合打分，確定各參賽隊(duì)的成績(jī)，對(duì)于進(jìn)入前三名的隊(duì)伍分別給予 2500、1500 和 1000 美元的現(xiàn)金獎(jiǎng)勵(lì)。這項(xiàng)競(jìng)賽吸引了全美幾十所大學(xué)航空相關(guān)專業(yè)的學(xué)生組隊(duì)參加，通過親自參與小型電動(dòng)無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)、制作與試飛的全過程，使他們有機(jī)會(huì)將大學(xué)中所學(xué)知識(shí)綜合運(yùn)用，在實(shí)踐中得到鍛煉，并極大的促進(jìn)了電動(dòng)無(wú)人機(jī)事業(yè)的發(fā)展。近兩年來(lái)，加拿大、意大利、土耳其的幾所大學(xué)也開始組隊(duì)參賽，并取得了不錯(cuò)的成績(jī)，競(jìng)賽主辦者還向日本、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家的大學(xué)發(fā)出了邀請(qǐng)，意圖使這項(xiàng)賽事向國(guó)際化方向發(fā)展，在全世界范圍內(nèi)促進(jìn)電動(dòng)無(wú)人機(jī)事業(yè)的發(fā)展。
2 構(gòu)型設(shè)計(jì)
飛機(jī)設(shè)計(jì)工作的基本思想是：在滿足所提出的各種設(shè)計(jì)要求的前提下，使飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和制作工藝盡量簡(jiǎn)單，重量盡量輕，成本盡可能低。Happy Boy原機(jī)采用的是正常氣動(dòng)布局，其參考數(shù)據(jù)豐富，可供運(yùn)用的理論也比較成熟
從氣動(dòng)方面考慮，采用圓形或橢圓形截面機(jī)身較為有利，但估計(jì)廠家是為了節(jié)約成本，使用較為容易制作的矩形截面機(jī)身。
飛機(jī)的有以下幾種布局方案：
1、正常式氣動(dòng)構(gòu)型，拉進(jìn)式，上單翼，正常式尾翼下平尾，前三點(diǎn)式起落架。
2、正常式氣動(dòng)構(gòu)型，拉進(jìn)式，上單翼，T 型尾翼，前三點(diǎn)式起落架。
3、正常式氣動(dòng)構(gòu)型，拉進(jìn)式，下單翼，正常式尾翼上平尾，前三點(diǎn)式起落架。
4、正常式氣動(dòng)構(gòu)型，拉進(jìn)式，下單翼，T 型尾翼，前三點(diǎn)式起落架。
5、正常式（半機(jī)身）氣動(dòng)構(gòu)型，推進(jìn)式，上單翼，雙尾撐式平尾，雙垂尾，前三點(diǎn)式起落架。
各附簡(jiǎn)圖如圖 2-1 所示
圖 2-1 備選布局方案簡(jiǎn)圖
方案1簡(jiǎn)圖 方案2簡(jiǎn)圖
方案3簡(jiǎn)圖 方案4簡(jiǎn)圖
方案5簡(jiǎn)圖
2.1 機(jī)翼
2.1.1 機(jī)翼形狀選擇
低速飛機(jī)機(jī)翼一般為直機(jī)翼，因其低速氣動(dòng)特性良好，誘導(dǎo)阻力小，升阻比大。直機(jī)翼的平面形狀一般有矩形和梯形兩種。
從氣動(dòng)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(gè)機(jī)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(dāng)根梢比選擇的合適時(shí)（近似橢圓形機(jī)翼），整個(gè)機(jī)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(duì)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(shí)精確定位也比較困難，而矩形機(jī)翼的制作工藝則相對(duì)簡(jiǎn)單很多，因此出于對(duì)設(shè)計(jì)和制作成本方面的考慮，廠家采用的是矩形翼。
2.1.2 機(jī)翼安裝位置
機(jī)翼在機(jī)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(diǎn)。
（1） 上單翼
優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，上反角較小，機(jī)翼氣動(dòng)效率較高
對(duì)機(jī)身內(nèi)部空間影響較小，有利于機(jī)身內(nèi)部裝載的布置
翼身氣動(dòng)干擾阻力比下單翼要小
與機(jī)身連接比中單翼簡(jiǎn)單
機(jī)身與翼盒結(jié)構(gòu)可互相補(bǔ)償，減輕機(jī)身結(jié)構(gòu)重量
缺點(diǎn)：起落架如裝于機(jī)翼上，則高度過大，對(duì)起落架剛度要求較高
若采用上單翼前三點(diǎn)式，重量?jī)?yōu)勢(shì)不及下單翼和后三點(diǎn)式配合
非正常著陸時(shí)，不能對(duì)機(jī)身提供保護(hù)作用
（2） 中單翼
優(yōu)點(diǎn)： 翼身氣動(dòng)干擾阻力小
缺點(diǎn)：與機(jī)身連接困難，對(duì)機(jī)身內(nèi)部空間影響較大，不利于機(jī)身內(nèi)部裝載的布置
（3）下單翼
優(yōu)點(diǎn)：非正常著陸時(shí)，機(jī)翼對(duì)機(jī)身起保護(hù)作用
機(jī)身與翼盒結(jié)構(gòu)可互相補(bǔ)償，減輕機(jī)身結(jié)構(gòu)重量
對(duì)機(jī)身內(nèi)部空間影響較小，有利于機(jī)身內(nèi)部裝載的布置
起落架裝于機(jī)翼上時(shí)，高度較小，對(duì)剛度要求較低，且起落架重量較輕
缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，需要較大的上反角，降低機(jī)翼氣動(dòng)效率
翼身氣動(dòng)干擾阻力較大
“Happy Boy”的性能要求類似于初級(jí)教練機(jī)，穩(wěn)定性好是追求的主要目標(biāo)之一，因此，綜合比較后，采用上單翼。
2.1.3 機(jī)翼增升裝置
采用增升裝置，主要目的是增加翼型相對(duì)彎度，并對(duì)邊界層進(jìn)行控制，延緩翼面上的氣流分離，以改善飛機(jī)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(chǎng)上常見的帶有增升裝置的航模飛機(jī)，大多采用簡(jiǎn)單襟翼與副翼相結(jié)合的增升裝置形式——襟副翼，這類飛機(jī)多用于國(guó)際上的F3A比賽，或花式機(jī)比賽。由于“Happy Boy”主要是用于初級(jí)者的學(xué)習(xí)，不需要做大的空中機(jī)動(dòng)飛行，所以沒有采用機(jī)翼增升裝置。其形式如圖2-2：
圖 2-2 機(jī)翼增升裝裝置
2.2 尾翼
2.2.1 平尾
平尾有全動(dòng)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(dòng)學(xué)上的優(yōu)點(diǎn)，但平尾與機(jī)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(jī)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(jī)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(gòu)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(jī)身對(duì)接容易，可充分利用機(jī)身的強(qiáng)度，但與機(jī)身之間的氣動(dòng)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(jī)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(shí)有深失速的危險(xiǎn)，并且對(duì)簡(jiǎn)單的木制結(jié)構(gòu)而言，平尾與垂尾對(duì)接不容易，應(yīng)予以格外加強(qiáng)，可能導(dǎo)致重量的增加。
綜合考慮，Happy Boy 的設(shè)計(jì)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(jiǎn)便，這更有利于初學(xué)者對(duì)飛機(jī)進(jìn)行組裝，并且使尾翼的強(qiáng)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(dāng)尾容量相同時(shí)，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(duì)機(jī)身的扭矩。但兩個(gè)垂尾間距太小時(shí)，會(huì)有顯著的氣動(dòng)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(fù)雜，可能在操縱系統(tǒng)上付出較大的代價(jià)。并且，雙垂尾的面積大于單垂尾，所付出的阻力上的代價(jià)可能會(huì)抵消它給機(jī)身帶來(lái)的好處。因此，Happy Boy采用單垂尾。
尾翼布局簡(jiǎn)圖如下：
圖 2-3 尾翼布局簡(jiǎn)圖
2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)位置
低速飛機(jī)一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳作為動(dòng)力，根據(jù)螺旋槳的安裝位置，可分為推進(jìn)式與拉進(jìn)式兩種。
拉進(jìn)式動(dòng)力配置方式效率高于推進(jìn)式，而且有利于馬達(dá)散熱，可降低大電流工作時(shí)對(duì)電機(jī)性能的損傷，延長(zhǎng)電機(jī)的壽命，但在起飛和降落時(shí)打斷螺旋槳的概率大于推進(jìn)式。布局形式如圖2-1中方案1，2，3，4所示。
推進(jìn)式動(dòng)力配置方式大多采用雙尾支撐結(jié)構(gòu)，中間留出螺旋槳的位置，可以有效保護(hù)螺旋槳，且不需要后機(jī)身，使結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，構(gòu)型也很美觀。但因受機(jī)身影響，效率低于拉進(jìn)式，而且不利于電機(jī)散熱。同時(shí)動(dòng)力裝置靠后，使重心位置后移，需在前機(jī)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?yàn)閭鹘y(tǒng)機(jī)型大多采用拉進(jìn)式，并且拉進(jìn)式在制作工藝上相對(duì)簡(jiǎn)單，所以Happy Boy采用拉進(jìn)式。
2.4 起落架形式
適合航模飛機(jī)的起落架形式主要有前三點(diǎn)與后三點(diǎn)兩種，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)。
2.4.1 前三點(diǎn)式起落架：
優(yōu)點(diǎn)：起飛降落過程中航向穩(wěn)定性好
降落時(shí)不容易拉飄
著陸速度比后三點(diǎn)高
對(duì)遙控技術(shù)要求低，易入門
缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)重量較大
槳尖距地面較近，滑跑時(shí)易被地面雜物打傷
2.4.2 后三點(diǎn)式起落架：
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)重量較輕
槳尖距地面較高，滑跑時(shí)被地面雜物打傷的概率較小
缺點(diǎn)：起飛降落過程中航向穩(wěn)定性差
降落時(shí)容易拉飄
降落時(shí)易倒立，損壞推進(jìn)系統(tǒng)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)
對(duì)遙控技術(shù)要求高
比較二者的優(yōu)缺點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)前三點(diǎn)式起落架更有利于初學(xué)者掌握航模飛機(jī)的操縱技巧， Happy Boy屬于簡(jiǎn)易航模，自身重量小，原廠設(shè)計(jì)的是后三點(diǎn)式起落架。所以我的改進(jìn)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(xì)敘述見8.2。
2.5 構(gòu)型方案的選擇
綜合比較各種結(jié)構(gòu)及方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合我們自身的理論知識(shí)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(hào)選擇了第 1 種方案，即：正常式氣動(dòng)構(gòu)型，拉進(jìn)式，上單翼，正常式尾翼下平尾，前三點(diǎn)式起落架。
3 主要參數(shù)的估算
飛機(jī)的設(shè)計(jì)很復(fù)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(shí)有限，因此這里只對(duì)飛機(jī)參數(shù)的選擇與計(jì)算過程進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。Happy Boy 的設(shè)計(jì)參數(shù)廠家已經(jīng)給出，不需要計(jì)算。
飛機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)有很多，但對(duì)飛機(jī)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(gè)，它們是：
（1）飛機(jī)的正常起飛重量 Wto（kg）
（2）動(dòng)力裝置的海平面靜推力T0（10N）或靜功率P0（W）
（3）機(jī)翼面積S（m2）
這三者當(dāng)中只要有一個(gè)改變，就會(huì)引起全機(jī)總體方案的大改動(dòng)。通常將上述三個(gè)參數(shù)進(jìn)行組合，得到兩個(gè)相對(duì)參數(shù)：
（1）起飛機(jī)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(jī)參數(shù)時(shí)，應(yīng)先根據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)要求中所給定的飛行性能指標(biāo)和典型飛行任務(wù)，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(jìn)一步確定其它參數(shù)。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，Happy Boy的設(shè)計(jì)目標(biāo)是初級(jí)教練機(jī)，主要設(shè)計(jì)指標(biāo)為穩(wěn)定性好與航時(shí)盡量長(zhǎng)。
參考AIAA網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫(kù)和《航空模型》上其它飛機(jī)的數(shù)據(jù)，一般電動(dòng)飛機(jī)的翼載荷為 4. 2 kg/m2。
參考《航空模型》上的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電動(dòng)模型每磅重量應(yīng)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(jī)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(zhǎng)
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(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算分析
電動(dòng)飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)有四個(gè)主要的組成部分：動(dòng)力電池組、調(diào)速器、馬達(dá)和減速器、螺旋槳。其中采用直接驅(qū)動(dòng)方式的推進(jìn)系統(tǒng)不含減速器。動(dòng)力電池是整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的能源，它同時(shí)為馬達(dá)和無(wú)線電接收系統(tǒng)供電，保證推進(jìn)系統(tǒng)和無(wú)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(jī)的油門通道信號(hào)，輸出與油門桿位置相對(duì)應(yīng)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電壓，達(dá)到控制輸出功率的目的。馬達(dá)是推進(jìn)系統(tǒng)的執(zhí)行部分，它在驅(qū)動(dòng)電壓下工作，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，最終帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生所需的拉力。減速器用以協(xié)調(diào)馬達(dá)和螺旋槳間高效率時(shí)的轉(zhuǎn)速。推進(jìn)系統(tǒng)的連接框圖如圖4-1 所示，原廠配備的電動(dòng)機(jī)和電子調(diào)速器實(shí)物如圖 4-2 所示。
圖 4-1 推進(jìn)系統(tǒng)原理圖
圖 4-2 推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)物
4.1 推進(jìn)系統(tǒng)特性計(jì)算和分析
4.1.1 動(dòng)力電池的特性分析
目前可以用來(lái)作為模型動(dòng)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(biāo)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(lái)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(gè)數(shù)字表示。例如某種 1800 毫安時(shí)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(duì)動(dòng)力電池的要求還有耐過充電與過放電能力，以及能否適應(yīng)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?yàn)樗膯误w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?？紤]到現(xiàn)實(shí)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(shí)重量比鎳鎘稍微重了一點(diǎn)，但卻能夠極大地增加航時(shí)。
隨著近幾年來(lái)電子科技的發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)逐漸普及，價(jià)格也有所下降，特別是它重量輕大容量和無(wú)記憶效應(yīng)的特點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)生活中使用的越來(lái)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(yùn)動(dòng)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(jià)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(yīng)。自放電。
鎳氫電池
1.2V
68
10C~12C
一般
充、放容易，耐過充、放電，無(wú)
記憶效應(yīng)。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(wú)記憶效應(yīng)，自放電極少
4.1.2 馬達(dá)特性分析
在Happy Boy電動(dòng)飛機(jī)設(shè)計(jì)方案中采用的是永磁體的直流有刷電機(jī)。對(duì)于直流有刷電機(jī)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(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)它符合以下幾個(gè)方程：
Ea=Kv×n （4-1）
工作狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)的電路示意圖如 4-3 所示。考慮電池組內(nèi)阻，電動(dòng)機(jī)工作時(shí)整個(gè)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(dòng)機(jī)負(fù)載
ηm 電動(dòng)機(jī)效率
圖 4-3 馬達(dá)工作電路圖
Happy Boy 配備的是370電動(dòng)機(jī)：適用電壓 U = 6 - 8.4 V （取標(biāo)準(zhǔn)值7.4V）
工作電流 I = 8 A
由此可推算出電動(dòng)機(jī)功率：P = U × I = 7.4 × 8 = 59.2 W
在一定的電壓下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的增加而線性減小，電流隨著負(fù)載的增加而線性增加，其效率首先是曲線增加，達(dá)到最大值后曲線降低。若負(fù)載為零，則此時(shí)電流即為空載電流。應(yīng)該注意的是，電機(jī)最高效率時(shí)的負(fù)載要比輸出功率最大時(shí)的負(fù)載小，此時(shí)的轉(zhuǎn)速也相當(dāng)高，直接驅(qū)動(dòng)大的螺旋槳將會(huì)因過載而損壞電機(jī)，但是，一個(gè)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(gè)減速器來(lái)協(xié)調(diào)。
4.1.3 螺旋槳特性分析
螺旋槳就是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的翼面，流過槳葉的流場(chǎng)由兩部分組成：一個(gè)是飛機(jī)前飛引起的流場(chǎng)，另一個(gè)是槳葉旋轉(zhuǎn)引起的流場(chǎng)。這兩個(gè)流場(chǎng)的疊加就是氣流相對(duì)于槳葉的實(shí)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(jìn)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(dá)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(jìn)距比J有關(guān)。模型器材中原廠配備的是1047槳，這種槳價(jià)格便宜，不易損壞，廣泛的使用在初級(jí)模型器材中。
4.1.4 減速器特性分析
在整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)中，減速器只有效率影響整個(gè)推進(jìn)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(guān)，而和其轉(zhuǎn)速?zèng)]有太大的關(guān)系，因此應(yīng)該注意對(duì)減速器的潤(rùn)滑保養(yǎng)。使用中應(yīng)特別注意避免因?yàn)榕鲎捕斐奢S的彎曲和齒輪的損壞，這樣將造成其效率急劇下降，甚至報(bào)廢。
“Happy Boy”電動(dòng)模型上采用的是和“370”馬達(dá)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(fēng)面積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單價(jià)格便宜。這種齒輪箱可配合小動(dòng)力或中等動(dòng)力電機(jī)。偏心式齒輪箱最大的缺點(diǎn)是不能安裝在機(jī)頭空間較小的模型飛機(jī)上（因?yàn)槠妮S需要占據(jù)一定空間）；并且電機(jī)需要反轉(zhuǎn)（輸出軸與電機(jī)軸反向運(yùn)轉(zhuǎn)）；還會(huì)對(duì)電機(jī)軸承施加一些側(cè)壓。
圖4-4 370減速組
一般的改進(jìn)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(dòng)會(huì)更平滑，能增加齒輪箱的負(fù)載能力和運(yùn)行平順性，同時(shí)可以將電機(jī)軸的鋼制齒輪換成黃銅齒輪，使運(yùn)行更加平滑降低噪音。借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，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(gè)復(fù)雜的電子器件，由于是通過它向馬達(dá)供電，在飛行狀態(tài)中，馬達(dá)的工作電流約在5安培，起飛狀態(tài)的工作電流可能會(huì)達(dá)到 15 安培。因此調(diào)速器的內(nèi)阻成了一個(gè)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(huì)減小，其工作時(shí)產(chǎn)生的熱量也小，有助于延長(zhǎng)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(jì)算中我們只好假設(shè)其內(nèi)阻為零，這可能使可用功率的計(jì)算比實(shí)際情況偏高。在調(diào)速器的選擇時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)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(dòng)力電池組向無(wú)線電接收、控制系統(tǒng)供電；電池電壓過低時(shí)，停止向電機(jī)供電，保證無(wú)線電接收機(jī)和舵機(jī)的正常供電，使飛機(jī)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(shè)計(jì)有限公司出品的Sunrp牌15A智能電子調(diào)速器，它的技術(shù)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(guān)頻率
3kHz
外形尺寸（mm）
21×13×5
5 各部件的初步設(shè)計(jì)
在選定飛機(jī)的主要參數(shù)之后，就可以對(duì)全機(jī)各主要部件的幾何參數(shù)進(jìn)行初步計(jì)算，現(xiàn)分述如下。
5.1機(jī)身外形設(shè)計(jì)
由于“Happy Boy”遙控電動(dòng)飛機(jī)的最大設(shè)計(jì)平飛速度也不過 10m/s，屬于低速飛機(jī)之列
5.1.1 機(jī)身的主要幾何參數(shù)
飛機(jī)機(jī)身外形設(shè)計(jì)的主要幾何參數(shù)是其總長(zhǎng)度 L身 和最大橫截面積 S身 。在選擇參數(shù)時(shí)，還經(jīng)常用到這兩個(gè)幾何參數(shù)的比值所構(gòu)成的相對(duì)參數(shù)——機(jī)身的長(zhǎng)徑比
λ身= L身 / S身 （5-1）
式中S身對(duì)于圓形截面機(jī)身即為機(jī)身最大直徑，對(duì)于非圓形機(jī)身，則為其最大橫截當(dāng)量直徑長(zhǎng)徑比 λ身 是機(jī)身一個(gè)很重要的幾何參數(shù)，它代表了機(jī)身幾何外形最主要的特征，對(duì)機(jī)身的氣動(dòng)阻力和機(jī)身結(jié)構(gòu)等方面的特性都有直接的影響。
5.1.2 機(jī)身幾何參數(shù)
1.機(jī)身最大橫截面面積的初步確定
在機(jī)身翼盒段，布置了接收機(jī)，舵機(jī)等有效載荷，加上各種操縱的導(dǎo)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(jī)體積，權(quán)衡有效載荷的可能形狀和體積，經(jīng)測(cè)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(jī)身長(zhǎng)度及機(jī)身長(zhǎng)徑比的確定
機(jī)身長(zhǎng)度基本上是由電動(dòng)機(jī)安裝長(zhǎng)度+電池長(zhǎng)度+尾力臂+尾翼根弦長(zhǎng)的總和決定的，只要在其間適當(dāng)留有余地用于隔框、起落架等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)就可以了。由飛機(jī)的技術(shù)參數(shù)可知機(jī)身總長(zhǎng)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(jī)身外形的初步設(shè)計(jì)
在機(jī)身外形的初步設(shè)計(jì)時(shí)，選取了四個(gè)控制截面，即機(jī)身最前端（由電動(dòng)機(jī)的截面尺寸確定）翼盒段前后緣（機(jī)身的最大截面）及機(jī)身最后端（由尾翼的安裝要求確定）。為了在機(jī)身制作時(shí)加工容易，其間的過渡全部采用直線過渡，由于飛機(jī)速度不高，這樣并不會(huì)造成很大的阻力。
5.2 機(jī)翼外形初步設(shè)計(jì)
圖 5-1 機(jī)翼平面
機(jī)翼是飛機(jī)上最為重要的部件，對(duì)飛機(jī)的飛行性能影響極大，同時(shí)與機(jī)身結(jié)構(gòu)和飛機(jī)總體布局也有關(guān)系。機(jī)翼外形初步設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是選擇合適的翼型、確定機(jī)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(cè)量機(jī)翼平面圖如圖5-2所示：
5.3 尾翼外形初步設(shè)計(jì)
尾翼的主要作用是保證全機(jī)的穩(wěn)定性與操縱性，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求中對(duì)飛機(jī)操穩(wěn)性的規(guī)定來(lái)設(shè)計(jì)。尾翼的設(shè)計(jì)參數(shù)與飛機(jī)的形式及全機(jī)氣動(dòng)布局有關(guān)，但反過來(lái)，尾翼參數(shù)又會(huì)影響全機(jī)的氣動(dòng)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(diǎn)式起落架，前起落架安裝在機(jī)身加強(qiáng)框上，后起落架安裝在尾部。之所以把主起落架安裝在機(jī)翼上，主要是出于減重方面的考慮。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，主輪距應(yīng)為翼展的 1/4～1/3，即太大會(huì)增加機(jī)翼的結(jié)構(gòu)重量，太小又難以滿足地面滑跑時(shí)的橫側(cè)穩(wěn)定性要求。如果主起落架裝在機(jī)身上，則因外撇角過大而導(dǎo)致剛度不足，需要在兩個(gè)起落架間拉一根鋼絲，其總重量比直接裝在機(jī)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(shí)際測(cè)量，Happy Boy 的主輪距是135 × 2 = 270 mm ，符合設(shè)計(jì)要求。
5.5 操縱系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)
操縱系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是制定控制方案、選擇舵機(jī)、合理布置舵機(jī)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(hào)的舵機(jī)。選擇舵機(jī)時(shí)主要考慮兩個(gè)參數(shù)：體積，扭矩。舵機(jī)的尺寸愈大，它占的空間也愈大，重量也會(huì)增加，但體積小的舵機(jī)價(jià)格昂貴。舵機(jī)的扭矩愈大，它耗的電能愈大，同樣價(jià)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(jī)安裝于機(jī)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(gòu)重量，在操縱系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)時(shí)已考慮將操縱方向舵和升降舵的兩個(gè)舵機(jī)置于翼盒后端，這使得飛機(jī)重心后移，為了使飛機(jī)重心位置在一個(gè)合適的范圍內(nèi)變化，將重量較大的電池放到了機(jī)身翼盒前段。接收機(jī)，有效載荷安置于機(jī)身翼盒前段，這樣可使得由于有效載荷的變化引起的全機(jī)重心位置移動(dòng)量最小。
7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)身受力主要有螺旋槳拉力、機(jī)翼機(jī)身接頭傳來(lái)的氣動(dòng)力、尾翼傳來(lái)的氣動(dòng)力和內(nèi)部裝載物的重力，可近似等效成幾個(gè)集中力進(jìn)行分析。
7.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)身上的主要載荷是由與機(jī)身相連的其他部件（機(jī)翼、尾翼、動(dòng)力裝置、起落架）傳給機(jī)身的集中力，因此，機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的首要任務(wù)就是要考慮如何承受來(lái)自其他部件的集中力并以較為合理的方式分散給機(jī)身上的各承力構(gòu)件。
7.1.1 電動(dòng)機(jī)與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
電動(dòng)機(jī)是設(shè)計(jì)的Happy Boy遙控電動(dòng)飛機(jī)帶動(dòng)螺旋槳產(chǎn)生拉力的動(dòng)力裝置，其產(chǎn)生的最大拉力大于 1000 克，它對(duì)機(jī)身的作用力主要是沿 X 軸的拉力和連接面的剪力。它與機(jī)身的連接方式如圖 7-1 所示：
圖7-1 電動(dòng)機(jī)與機(jī)身連接方式
電機(jī)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(jī)身通過強(qiáng)力膠與機(jī)身框架進(jìn)行粘接，粘接點(diǎn)分別在圖中的1，3處，由于考慮到主梁是承載這個(gè)飛機(jī)與電動(dòng)機(jī)的連接部件，為了增加強(qiáng)度，可在圖中2處增加一個(gè)薄板，主梁粘接在薄板上，薄板粘接在機(jī)身上。這樣由原來(lái)的兩點(diǎn)固定改為兩點(diǎn)與一個(gè)平面共同固定，使強(qiáng)度增加，薄板是輕木材質(zhì)，質(zhì)量可忽略不計(jì)，所以不會(huì)增加飛機(jī)重量。
圖7-2 主梁與機(jī)身連接方式
7.1.2 機(jī)翼與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)翼是飛機(jī)產(chǎn)生升力的主要部件，在我考慮的幾種設(shè)計(jì)狀態(tài)下，由于機(jī)動(dòng)或者突風(fēng)的影響，飛機(jī)的過載系數(shù)往往是大于 1 的，這就使得機(jī)翼傳給機(jī)身的力往往是數(shù)倍于飛機(jī)本身的重量，為了攜帶方便，應(yīng)將機(jī)翼設(shè)計(jì)成可拆卸的。航模飛機(jī)機(jī)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(gòu)復(fù)雜，重量大，安裝麻煩；橡皮筋固定法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單適合小型飛機(jī)，安裝方法簡(jiǎn)單。Happy Boy屬于小型飛機(jī)，用橡皮筋完全能夠滿足要求，所以原機(jī)中機(jī)翼與機(jī)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(jī)身之中，3是橡皮筋兩端套在固定棒上，沿機(jī)身軸線左右各一根，將機(jī)翼4穩(wěn)定的固定在機(jī)身5上。
圖7-3 機(jī)翼固定方式示意圖
7.1.3 尾翼與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1 水平尾翼與機(jī)身的連接
由于平尾上所受氣動(dòng)載荷較小，故在平尾與機(jī)身連接時(shí)將平尾直接膠結(jié)在機(jī)身尾段，其結(jié)構(gòu)形式可見圖 7-4。
圖 7-4 水平尾翼與機(jī)身的連接圖
2 垂直尾翼與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在垂尾的下緣設(shè)計(jì)了一根緣條，用以增大垂尾與機(jī)身尾段的接觸面積，提高接觸面的膠結(jié)強(qiáng)度。垂尾和機(jī)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(jī)身的連接圖
8 航模飛機(jī)的改進(jìn)
飛機(jī)的改進(jìn)主要包括以下兩個(gè)方面：
1. 動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)
2. 起落架的改進(jìn)
8.1 動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)
原機(jī)配備的是370直流永磁電機(jī)，現(xiàn)在就這種電機(jī)介紹直流永磁電動(dòng)機(jī)的特性
8.1.1基本結(jié)構(gòu)及工作原理
航模所用的動(dòng)力電機(jī)大部分為直流永磁電機(jī)，它的鐵殼里有一對(duì)瓦形磁鋼和一個(gè)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(gè)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(gòu)成。換向片的數(shù)目同繞組的數(shù)目相等，通常為三個(gè)，稱為三季式，高級(jí)電機(jī)也有五級(jí)和七級(jí)的，但不能為雙數(shù)。
電機(jī)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(duì)設(shè)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(gè)街頭又分別與對(duì)應(yīng)的換向片相連接。
電機(jī)的另一 重要部件是一對(duì)電刷，它依靠彈力壓在換向器上，可以相互滑動(dòng)。電機(jī)電源的正負(fù)極分別同這兩個(gè)電刷相連，連通電源后整個(gè)轉(zhuǎn)子（包括鐵芯，線圈，換向器和轉(zhuǎn)軸）就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)
當(dāng)圖a中電刷“+”與電刷“-”分別接通電源時(shí)，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(fù)極；另一路經(jīng)過線圈2，換向片2和電刷“-，流回電源負(fù)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(chǎng)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(chǎng)分別同電機(jī)的兩塊磁鋼相互吸引和排斥，結(jié)果使轉(zhuǎn)子向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。途中1的兩端所連接的換向片1，換向片2此時(shí)都與電刷“-”相連，因而沒有電流流過，不產(chǎn)生磁場(chǎng)。
當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)過30°之后，圖形如圖b所示。此時(shí)三個(gè)線圈都有電流流過，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)如圖中所標(biāo)。它們同磁鋼相互作用的結(jié)果會(huì)使轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
總之，只要接通電源電機(jī)軸將會(huì)沿逆時(shí)針方向不停地旋轉(zhuǎn)；而若電源反接，電機(jī)將會(huì)向反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。5級(jí)式和7級(jí)式電機(jī)原理和3級(jí)式是一樣的。
圖8-1 直流永磁電機(jī)原理圖
圖 A 圖 B
8.1.2 常用鐵氧體電機(jī)的品種規(guī)格及選用
直流電機(jī)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(guó)常用的鐵氧體電機(jī)的部分技術(shù)數(shù)據(jù)供參考。
表8-1 鐵氧體電機(jī)數(shù)據(jù)
系列號(hào)
540
480
370
180
130
030
外徑（mm）
35.7
27.7
24.4
20
20
15.3
長(zhǎng)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(jī)通常用于翼展1700-2000mm；重量在1000-1400g的大型電動(dòng)滑翔機(jī)模型中，也可用在與此對(duì)應(yīng)的電動(dòng)模型飛機(jī)中。130電機(jī)適用于120克以下的小飛機(jī)上，180電機(jī)適用于240克以下的電動(dòng)滑翔機(jī)等模型飛機(jī)。030電機(jī)屬于更輕小的電機(jī)，一般用于超小型模型飛機(jī)上。
原廠配備的就是表中所列370型號(hào)電機(jī)，它的外形尺寸同過去日本的280電機(jī)相同，但輸出功率和工作效率都大有提高，重量也相對(duì)較輕。370電機(jī)常用于重量在380克左右的模型飛機(jī)上。這也是為什么廠家要配備這一型號(hào)電機(jī)的原因。
8.1.3 改進(jìn)措施
目前，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的十分廣泛，它的優(yōu)點(diǎn)在前章已經(jīng)闡述，所以我的改進(jìn)方法就是將原有的直流永磁電機(jī)改為外轉(zhuǎn)子無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。
8.1.3.1 無(wú)刷式直流電機(jī)的應(yīng)用與原理
其實(shí)，無(wú)刷電機(jī)與無(wú)刷電機(jī)電子調(diào)速器人們?cè)缇驮诠I(yè)領(lǐng)域運(yùn)用了，但傳統(tǒng)的無(wú)刷電機(jī)控制主要用霍爾傳感器來(lái)為無(wú)刷電機(jī)作換相檢測(cè)，而航模用無(wú)刷電機(jī)通常是不用傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)換相的。我們稱這種無(wú)刷電機(jī)為無(wú)感無(wú)刷電機(jī)。要驅(qū)動(dòng)控制無(wú)感無(wú)刷電機(jī)按我們的需要運(yùn)行起來(lái)，用傳統(tǒng)的數(shù)字電路幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗目刂茩C(jī)理十分復(fù)雜，即使傳統(tǒng)數(shù)字電路能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無(wú)感無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行控制，那也必然是一塊幾何尺寸和重量都相當(dāng)可觀的復(fù)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(wú)感無(wú)刷電機(jī)電子調(diào)速控制器（業(yè)內(nèi)俗稱“無(wú)刷電調(diào)”）無(wú)一例外都是采用微處理器作為核心器件，通過相當(dāng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)感無(wú)刷電機(jī)的調(diào)速控制的。
在航模領(lǐng)域，用無(wú)刷電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有刷電機(jī)之所以已成必然，是因?yàn)樽鳛殡妱?dòng)航模動(dòng)力組的電機(jī)