小航模大運動

航空模型不是玩具

人類自古以來就幻想著飛行。昆蟲、鳥禽、風吹起樹葉和上升的炊煙，都曾引起過人類對飛行的遐想。西漢劉安在《淮南子》中記載著后羿的妻子嫦娥偷食了長生不老之藥而飛上月宮的美妙故事。這反映了古人對飛行的追求和向往。距今2000多年前的春秋戰國時期，我們的祖先就制作出能飛的木鳥模型。《韓非子》中記載著：“墨子為木鳶，三年而成，飛一日而敗。”宋朝李鳶等人編的《太平御覽》中也有“張衡嘗作木鳥，假以羽翮，腹中施機，能飛數里”的記載。除此之外，古人還發明制作出像孔明燈、風箏和竹蜻蜒等飛行器。

唐代以后，我國的風箏傳到國外，在世界上流傳開來。西方有人用風箏做飛行試驗，探索制造飛機的可能。美國的萊特兄弟1903年制造出世界上第一架飛機并試飛成功。他們就是先用風箏進行種種試驗，然后制造出滑翔機，解決了升降、平衡、轉彎等問題，最后才把飛機制造成功的。

航空模型顧名思義是各種航空器模型的總稱，是一個很寬泛的名詞。從字面上可理解為現實中或虛擬的航空器的縮比或擴比、靜態或動態的復制品。一方面，作為航空器的縮比復制品，它在實驗室和公眾場合都有著廣泛的應用。另一方面，作為小型的航空器，航空模型從一開始就引起航空愛好者們的濃厚興趣，多年來長盛不衰。其主要原因是航空模型在航空事業的發展和科技人才的培養方面起到了十分重要的作用。航空模型最原始的使命，是為航空科學研究而服務，任何飛行器在設計階段都要使用不同比例、不同部位的模型去吹風洞、水洞，還要通過遙控縮比驗證機去作驗證性試飛，比如失速尾旋特性等。從某種意義上講，是先有的模型、后又的飛機。隨著材料、電子產品、加工工藝的進步和航空文化的推廣，原先服務與科研領域的模型又有了新的角色，航空模型成為了普通航空愛好者接觸航空、了解航空、探索航空的好工具。因此，有些人將航空模型僅僅視為一種高級玩具，是一種片面的理解。

航空模型的分類

航空模型的種類繁多，令人眼花繚亂，今天筆者為大家簡要介紹一下航空模型的分類以及一些項目的發展情況。

國際航空聯合會(Federation Aeronautique Internationale 簡稱:FAI) （圖1）針對航空模型的飛行方式、控制方式、動力配置等屬性做了分類。

F1——Free Flight 自由飛類航空模型

自由飛項目指運動員或助手與模型之間沒有任何物理連接規，某些項目可使用無線電遙控對模型進行輔助操作（比如F1A國際及牽引滑翔機的遙控迫降功能）。

F1A牽引模型滑翔機

F1B橡筋動力模型滑翔機（圖2）

F1C活塞式發動機模型滑翔機

F1D室內模型飛機

F1E山坡模型滑翔機

F1F橡筋模型直升機

F2——Control Line Circular Flight線操縱圓周飛行類航空模型

線操縱類模型的飛行和操縱方式都比較特別，它是通過兩根很細的鋼索（通常為0.4毫米）牽拉升降舵來控制飛機的俯仰，由于鋼索的束縛該類模型只能做圓周飛行。其飛行的空間是以鋼索加運動員手臂長度為半徑的1/2球面上，所有的動作都將在這個1/2球面內完成。

線操縱根據其飛行方式又分為4個項目：

F2A 線操縱競速飛行

F2B 線操縱特技飛行

F2C 小組競速飛行

F2D 線操縱空戰

國際級線操縱競速模型飛機(F2A)。該機是以氣缸容積在 2.5立方毫升以下的活塞發動機為動力的競速模型飛機。比賽時，運動員在場地中央，當模型飛機起飛后達到合適的速度后把操縱手柄放入位于場地中心的手叉上，這時測速裁判員即開始測速，至模型飛機飛滿10圈（1千米）時停止。每場比賽，每個運動員可飛行3次，取1次最快速度作為該運動員的正式比賽成績。

國際級線操縱特技模型飛機(F2B)，這一直是中國的優勢項目。該機是以活塞發動機為動力，完成規定的特技動作的模型飛機(圖3)。比賽時，運動員在7分鐘內按照規定順序完成下列動作：起動發動機、起飛、雙過頂、內筋斗、倒飛、外筋斗、內方筋斗、外方筋斗、內三角筋頭、橫 8字、正方橫8字、豎8字、豎三角8字、頭頂 8字、4葉玫瑰線和著陸。比賽分預賽和決賽2個階段。預賽時，每個運動員進行2輪正式飛行，取其中 1輪較高成績作為預賽成績。預賽中前15名參加決賽。決賽也要進行 2輪正式飛行。最后再從預賽和決賽中各取 1輪較高的成績加起來決定名次。未進入決賽者，按預賽成績決定名次。

國際級線操縱小組競速模型飛機(F2C)。該機是以氣缸容積不超過2.5立方毫升的活塞發動機為動力，競速飛行的模型飛機。模型的外形是半像真式的。由于比賽時是把3組（每組有操縱員、機械員各1人）編在1個場地同時飛行，所以外國也稱為“編組競速”，中國則習慣稱“小組競速”。比賽分預賽、半決賽和決賽。預賽時，必須飛10千米（100圈）。預賽中前9組進入半決賽，經過淘汰剩下的3組進行決賽。決賽時，要飛20千米(200圈）快速者為勝。

國際級線操縱空戰模型飛機(F2D)。它的發動機排量限制跟線操縱競速模型飛機一樣。比賽時，將模型飛機尾部系一條長 3米的彩色紙帶。兩名運動員站在同一個直徑為 6米的圓圈內(操縱圈)，各自操縱一架模型飛機，用螺旋槳來“咬”對方尾部的紙帶，以切斷對方尾部紙帶次數的多少決定勝負。比賽采用單淘汰制。到目前為止，這是國際航聯所有航空模型比賽中，唯一的一個直接對抗的比賽項目。

F3 - Radio Controlled Flight 無線電遙控類航空模型

無線電遙控飛行指操縱者在地面用無線電遙控設備操作飛行器的舵面或其他控制機構，以改變模型的飛行姿態、方向、高度和速度。

目前比較有影響力無線電遙控項目有：F3A無線電遙控特技模型飛機、F3B無線電遙控牽引滑翔機、F3C無線電遙控直升機特技飛行、F3D無線電遙控競速飛行，以及近幾年新增加的F3M（無線電遙控固定翼花式像真特技模型飛機）、F3N（無線電遙控直升機花式飛行）（圖4～6）。

遙控特技飛行類項目集競技性、科技性、娛樂性、觀賞性于一身，是含金量最高的項目，也是備受愛好者喜愛的項目。隨著材料、加工工藝等技術的進步，相對高端的遙控模型也開始普及化，尤其是2000年以后，模型直升機技術的發展充分體現了這一現象。

隨著機械加工技術，材料技術和微電子技術的快速發展，航模直升機作為其領域中的一種綜合產物也逐漸地發展起來，在機身結構方面，最初都是由工程塑料和高強度尼龍一體注塑成型的機身結構和旋翼頭零件，現在已經發展為有CNC加工的全金屬硬質鋁合金旋翼頭，以及由碳纖維材料機身側板和金屬連接件構成的復合式機身結構，具有強度、剛度更高，重量更輕，連接更可靠的優點，并且沒有了塑料材料老化的缺點（圖7）。以臺灣亞拓的品牌遙控直升機為例，早期的450級“小暴龍”電動模型直升機，除傳動機構外，全機幾乎都是由灰色的工程塑料零件構成，而最新的T-REX 450 PRO V2的機身側板和尾翼則幾乎都是碳纖維數控切割而成，通過金屬零件連接成一體的盒式結構，堅固又不失輕巧。同時主旋翼和尾旋翼也由硬質塑膠槳和硬木槳，發展為剛度更好的玻璃纖維復合材料槳和碳纖維復合材料槳。具有這樣優秀剛度的機體和旋翼，才能保證遙控直升機完成激烈的大過載特技動作，而不至于因為機體變形而導致動作發“肉”，甚至帶來機體結構的損壞（圖8）。

從動力角度而言，近些年的遙控模型直升機的動力功率增長很快。較為流行的遙控模型直升機的動力主要分為活塞式甲醇發動機和電動機。甲醇發動機的工作聲音象真度較高，并且動力不隨著時間而變化，同時續航能力較強；但其瞬間爆發力趕不上電動機，而且振動劇烈，還有維護性和可靠性差的缺點。近幾年國外著名品牌多采用擴大工作容積，增加穩定性供油系統的方法改善甲醇發動機的性能。如為50級（50級代表發動機活塞工作容積為0.50立方英寸）遙控直升機開發出了52級、55級甚至57級的發動機，而在競賽中非常流行的90級遙控直升機則可以搭配100級、105級甚至120級的發動機（圖9、10）。增大的工作容積可大大提高了瞬時功率，這使得油動直升機做3D動作中頻繁的大總距切換下也能保持住主旋翼的轉速而不致“憋住”發動機，但其續航能力則降低了。穩定性供油系統也是近來發動機制造商為了滿足甲醇發動機在直升機各類過載導致油位反復變化的情況下，為發動機附加的一種增壓供油系統，如YS發動機采用全封閉油路，通過發動機上附帶的增壓泵給直升機油箱增壓來保證燃油順利進入化油器，大大提高了工作時的可靠性（圖11）。

電動機動力的發展則更快，最初遙控直升機的電動機都是有刷直流電動機，其工作電流小，電刷磨損快，發熱較大，因此只用在小型遙控直升機上。隨后出現真正使得電動模型直升機普及的大功率直流無刷電機。目前適合遙控模型直升機的無刷電機大多為外轉子結構，轉子內部鑲嵌釹鐵硼強力磁鋼，這樣其扭矩可遠超普通的有刷電機，無刷電機沒有了電刷處的接觸電阻，使得效率和最大電流也大大提高（圖12）。隨著電動模型的推廣，近幾年模型專用鋰聚合物電池也快速的發展，其內阻、重量、放電倍率也遠超傳統的鎳鎘電池和鎳氫電池。再搭配專用的無刷電機控制器，將電池的直流電轉化為無刷電機適用的三相交流電，驅動電機運轉。目前的電動直升機如雨后春筍一樣層出不窮，從小型的250、450級直升機到大型的600、700甚至800級直升機，都可以做出比油動直升機更加“暴力”的特技動作，同時也能達到數分鐘的續航時間。

電子設備的發展同樣影響這遙控模型直升機的技術水平。從遙控設備來說，最早的遙控器僅支持傳統的90°十字盤操縱方式，即橫滾、俯仰和總距各采用一個舵機通過連桿機構控制，并且機身上也有復雜的機構來實現，這在臺灣雷虎公司的直升機上最為典型。而隨著遙控器內部程序的進步，使得目前的遙控直升機的十字盤均采用CCPM混合控制，包括120°，135°和140°十字盤等，這種方式的特點是三個舵機同時運動，完成橫滾、俯仰和總距的操縱。好處在于三個舵機的合力更大，動作更迅速直接，同時省卻了機構的結構重量，消除了機械間隙等。除此之外，目前的中高端遙控設備還包含豐富的細節調整項，如十字盤修圓和傾斜盤混控等，能夠更好地使得旋翼頭協調、準確地工作。

遙控直升機舵機也向著扭矩更高、速度更快、壽命更長穩步發展，最早的舵機大多是尼龍齒輪，直流永磁電機。隨后發展出使用空心杯轉子電機的舵機，有效提高了舵機的功率和耐用性，近兩年舵機高端品牌大多采用有感無刷電機作為舵機的動力來源，搭配精密加工的合金齒輪，可以使斜盤舵機達到10千克·厘米以上的高扭矩，直升機鎖尾舵機達到0.05秒/60°的高速度。某些高端舵機采用全金屬CNC制作的外殼，提升了散熱性能，同時支持2S的鋰電池直接驅動，其性能參數也更加可觀（圖13）。

陀螺儀作為直升機穩定飛行的重要一環，也取得了長足的進步，最初的陀螺儀都是機械式陀螺儀，通過高速轉子的定軸性探測到角度改變，進一步控制尾舵機使直升機鎖尾，隨后出現了電子陀螺儀，體積更小，控制能力更強，并且具有感度調整的功能，這極大地帶動了直升機3D飛行的普及（圖14）。而如今的遙控直升機均向著無副翼化發展，這都緣于無副翼系統的出現，以德國Mikado公司的V-bar系列無副翼系統最為典型，該系統大大簡化了直升機旋翼頭的結構，有效提升了動力性能和操控手感，使得模型直升機實現了“靜若處子，動如脫兔”的飛行性能。無副翼系統發展到現在集成了無刷電機/發動機定速器、飛行記錄儀甚至遙控設備接收機的部分功能，甚至可以外接模塊變身為飛控平衡儀，其功能之強大對整個直升機系統起到了革命性的作用（圖15）。

F4 - Scale Models 像真類航空模型

像真模型，大家看到這個詞的時候總是首先想到的是廣大軍迷愛不釋手的樹脂靜態仿真模型。對于航空模型來講，為了保證其最本事的屬性——飛行，所以不可能完全按照實物做簡單的縮小比例，還要根據縮比模型的翼面積、翼載荷、重心位置、焦點位置等參數重新對翼型等數據做一系列的調整。這種縮比模型只能做到“像真”，而不能完全“仿真”，因此都稱其為“像真模型”(圖16)。

說到像真模型，大家會略有些陌生。靜態模型以外形準確、形態逼真作為最高的追求。在航模領域，一些特技和競速項目會要求模型要有一定程度的像真，但由于雷諾數的關系，實物的翼型多數情況下不可能用于其縮比模型，所以能飛的像真模型基本上都要在像真程度方面作出犧牲。讓一個逼真的模型飛起來絕對不是一件簡單的事情，我們可以從以下三方面來分析它的難度。

首先是氣動方面。雷諾數、飛行速度甚至于控制系統的巨大差異使得模型飛機絕對不可能照搬真飛機的氣動布局，在盡可能保證像真程度的情況下重新設計像真飛機的氣動布局是讓飛機飛起來的首要關鍵因素。兼顧像真，也使得像真模型的飛行性能與專業級于競賽類模型飛機相距甚遠。

第二是強度。由于“比強度”要求的變化，照搬真飛機的結構設計與材料選用也 是不可取的，模型飛機使用的大多數是低比強度、低密度的木材及其他復合材料。這些材料和金屬材料最大的差異是其表現為各向異性，因此，像真模型飛機的整體承力結構需要重新設計，以保證飛機的堅固、輕巧。

第三條自然是機械系統，包括動力系統、控制系統及輔助系統。完全不同的飛行速度、完全不一樣的操控方式，使得像真模型飛機對于機械系統的要求非常苛刻，也使得機械系統成為像真模型中最有魅力的組成部分（圖17～19）。