全自主設計競賽級電動滑翔機

韓佳森　林恩民　姚天　慈宬嶂　鄭雨薇

摘要：近年來隨著航模運動的熱門，電動滑翔機這項航模競賽的基本項目獲得了極大的關注，市面上開始出現大量的電動滑翔機產品，滑翔機項目市場前景廣闊。本文主要探討如何設計一架競賽級電動滑翔機，以及基本模型性能問題，為發展電動滑翔機提供理論幫助。

關鍵詞：電動；自主設計制作；計算流體力學；追求競賽性能

一、設計要求

在國際通行的電動滑翔機競賽項目規則中，要求飛機先在規定時間自由飛行，之后在固定時間內無動力滑翔，最終以著陸時間和著陸點的準確程度判定成績。因此對于電動滑翔機來說，通常需要飛機在極短的時間獲得較大的爬升高度，繼而轉化為較低下沉率的滑翔，其中獲得最小下沉率是至關重要的。有了初步的設計要求后，我們開始研究飛機的布局形式。在翻閱資料和根據以往經驗，我們構思出了飛機的基本草圖。

二、飛機的總體參數

本項目所設計研制的飛機是一款強調巡航性能，展弦比為10.4的固定翼飛機，飛機翼展2m（飛機設計翼展為2m，驗證機為了成本和運輸方便，制作時整體縮小了比例，所以制作的驗證機翼展為1.6m，其他尺寸以此為依據推算。）。

預估空重1.2Kg，滿載1.8kg，使用新西達2212kv1400的電機，配置8060折疊槳（80是直徑，60是螺距），工作轉速9720r/min，工作推力9.03N，預計巡航速度54Km/h。電量來源為3S鋰電池，額定電壓12.6V，最低電壓11.1V。選定的推重比約為0.5，翼載約為7.35kg/m2。

三、機翼的平面形狀及幾何參數

考慮到飛機的成本與制作難度，決定不采用太復雜的機翼平面形狀，選用工藝簡單的矩形+梯形機翼。飛機拆卸后可裝進外部尺寸為1000mm*400mm*300mm的箱中。據以上兩點初步確定機翼平面形狀。翼根弦長Cr為150mm，翼尖弦長Ct為77mm。

機翼幾何參數：

機翼面積 S=0245m2；

后掠角Λ1/4=0°；

展弦比 A=10.4；

根梢比 n=Cr/Ct=1.95。

四、翼型選擇

飛機飛行屬于低空低速類，翼型選擇為彎度（f）較大的低速翼型。設定常用巡航高度為50100m，巡航速度為15m/s。

計算雷諾數為Rew=ρVcWexp/μ=233762，選出CLARK Y、MH112、MH113、MH114、MH116幾種翼型進行分析，雷諾數取24000。在不同迎角下，MH114表現出的升阻比最佳，故選擇MH114作為機翼的翼型。翼型在迎角5°時具有最大升阻比，所以機翼安裝角為5° 。

五、水平尾翼設計

飛機平尾力臂較短，平尾布置在機翼弦平面以下。

平尾的尾容量，取決于飛機的機動范圍及機動能力要求，一般飛機的平尾尾容量VHT為0.225。

平尾尾容量VHT按下式計算： VHT=SHTlHTSwcA ；

式中：SHT=0.024m2；

尾力臂lHT=0.6m；

機翼面積Sw=0.245m2；

平均氣動弦長cA=0.153m；

計算得VHT=0.34。

為了提高復雜使用環境的良好可控性，故設計平尾尾容量值為0.34，略大于常規值。

飛機采用較大平尾設計，較大的平尾比普通比例的平尾配置形式有更高的操縱效率。對于滑翔機，在氣流不穩定時，大平尾通過偏轉角度控制飛機平衡，同時較大的水平安定面使飛機具有良好的俯仰穩定性。

六、垂直尾翼設計

飛機展弦比10.4，屬于大展弦比飛機；機身位于機翼下方，屬上單翼，兩者特性使飛機已經具備相當高的穩定性；飛機使用人工遙控操縱方式飛行，設定的人工操縱技術較高。

垂尾尾容量設計主要是保證橫側安定性和操縱性品質。足夠的垂直尾翼能夠避免飛行過程中出現荷蘭滾、好的側風著陸特性、滿足機動要求和改出尾懸的操縱。飛機垂尾尾容量用VVT表示。

垂尾尾容量VVT用下式計算：VVT=SVTlVTSRbW；

式中：SVT=0.016m2；

尾力臂lVT=0.6m；

機翼面積SR=0.245m2；

機翼展長bW=1.6m；

計算得VVT=0.024。

七、機身結構設計

飛機主體結構采用巴爾沙輕木材料，采用熱縮膜蒙皮，主要承力結構為互相配合的碳纖維復合材料，具有結構重量輕，制造成本低，加工工藝簡單的特點。

后機身采用梁式，前機身采用硬殼式機身，會很大程度的降低制作難度。后機身采用一根主梁作為承力結構，前機身四面用輕木條和隔框做成封閉的機身結構，具有較好的抗彎、抗扭和減重效果。

八、機翼結構設計

我們采用的盒式機翼結構具有很好的抗彎、抗剪、抗扭功能。飛機在飛行過程中機翼全部升力的傳遞、機動飛行時的過載，尤其是滿載或遇到較強氣流飛行時所有的力都集中在翼根主梁處，所以我們在翼根主梁中加裝了碳桿連接。

九、飛機制作與試驗

設計完成后，將CAD設計圖排版為激光切割圖紙，購買原材料和配件進行制作，輕木結構主要使用502膠水進行粘結，飛機蒙皮所使用的熱縮膜通過熨斗加熱的方式使其粘結在飛機結構外表面，受熱收縮繃緊的熱縮膜一方面為飛機表面提供干凈光滑的外表面，其次在飛行過程中內部殘余拉應力也能減緩機翼變形。

試飛結論：飛行性能良好，基本滿足設計要求。

十、行業應用前景

軍用方面：小型滑翔機可以應用于軍事偵察領域，滑翔機機身體積小、正面雷達反射面小、成本低的軍事特點，使其可用于偵察活動、土地測繪、反恐防暴等。

民用方面：本滑翔機方便攜帶和使用，設計符合滑翔機運動的使用要求。在民用上，可以廣泛用于航模飛行運動。

商用方面：本滑翔機成本低，設計合理，結構可靠，方便大量生產，經久耐用。在商用定制模具后，可以廣泛的應用于生產銷售，有助于推廣航模運動。

項目：大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：IECAUC2017153）