航模結構材料的選擇與加工(上)

韓宇

設計制作航空模型時，因材料的選擇和加工而導致模型飛行性能達不到預期效果的情況時有發生，令許多航模愛好者倍感困惑。為此，筆者對不同類型航模所用的結構材料進行了分類整理，并且對傳統木材、常見的泡沫塑料、新興復合材料等的材料特性和適用范圍做了分析，希望大家對航模的結構材料有更深入的了解。此外，針對航模材料的二次加工，筆者也總結了一些注意事項，供大家參考。

大展弦比的F1A牽引模型滑翔機

選材的原則要求

知其然，也要知其所以然。介紹航模結構材料的選擇前，先闡述一下選材的原則。首先，除了那些用于專業競技或科研項目的模型外，航模大都屬于消費品范疇，控制制造成本非常重要。特別是進行大批量生產時，選材要易獲取、易加工。其次，航模對結構重量的控制非常敏感，因此要盡量選擇密度較小的材料，材料密度應顯著低于地面及水下交通工具。第三，在確保強度足夠的情況下，要多使用輕薄的板材，并設計大量減重孔。固定翼類模型的翼展通常在一兩米，尺寸大的可達四五米甚至更長。這其中，大多數模型飛行速度較低，機翼的展弦比可達10以上，一些模型滑翔機的展弦比甚至高達30以上。這類模型結構尺寸很大，通常采用薄壁結構，為保證在空氣動力作用下不發生較大的變形，必須選擇剛度大的材料。

受航模制造條件和使用范圍所限，在選材過程中，除上述要求外，在科研或比賽中使用的各類航模，因用途不同、級別不同，對結構材料的要求也不同。從用途上分，有教練機、滑翔機、特技機、競速機、載重飛機等;從動力上分，有電機驅動、活塞發動機驅動、渦噴發動機驅動、太陽能驅動（最終也由電機驅動）等。這些模型對結構材料提出的要求都有差別。例如，與由電機驅動的航模不同，采用活塞發動機驅動的航模必須考慮諧振及發動機安裝等問題，對結構材料抗震性能的要求較高，發動機的固定也要進行額外的加強處理，需配套安裝包括諧振管、油箱等一系列組件。而相較于普通練習機來說，CADC比賽中所用的載重模型飛機與太陽能飛機對翼載荷的要求更高。負重飛行的載重模型飛機以及結構非常纖弱的太陽能飛機，翼梁往往要承受較普通模型高數倍的拉壓應力，而且機翼根部連接處的剪切應力也極高。為此，要求使用碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料等對木結構或泡沫塑料結構進行補強，或者采用張線分散機翼的受力，改善受力分布。有些模型為了保證可靠性，甚至會在關鍵部位安裝角鋁、角鐵等進行加強。對于一些模型滑翔機，減輕結構重量的要求更突出。為使滑翔距離更遠、下墜速率更低，在結構強度允許的情況下，應盡量降低結構重量，如有些模型的機翼僅保留維持翼型和重心位置的少量支撐件。

模型工廠生產的木質模型機身，機體結構上有大量減重孔。

遙控空戰比賽中，選手一般會選擇價格低廉、飛行穩定、易于操縱的木質練習機。

以太陽能為動力驅動的模型飛機，在重量控制方面非常嚴苛，因此機體大量采用木質框架結構，再配以碳纖維等復合材料進行加強。

可見，用途決定選材，將有限的各種材料進行搭配組合，滿足飛行要求，服務飛行性能，是航模設計人員必須掌握的基本技能之一。

由活塞發動機驅動的航模，機頭處要注意做好減震處理，并做適當加強。

2016年CADC總決賽上，北航航模隊的載重模型飛機在訓練中與其他隊伍的模型相撞。受損的機翼翼根處，可看到加強用的凱夫拉纖維。

這種室內橡筋動力模型，重量僅有幾克重，其翼面由透明的薄膜制成，骨架結構則由碳絲和輕木材料制成。

從大自然到實驗室

自然界提供了大量天然的材料，其中最符合航模制作要求，也最早被大量使用的就是木材。在人類航空發展初期，飛機的性能非常有限，木材在相當長的一段時期都是飛機的主要結構材料。與金屬材料不同，由于木材有紋理結構，因此受力呈現各向異性的特點，單向抗拉性能和抗扭性優秀，但沿紋理方向的抗剪切能力較弱。常見的航模用木材包括輕木、桐木、松木、樺木等。為了更好地利用木材沿紋理方向受力的優勢，后來又出現了輕木層板、椴木層板和航空層板等一系列以木材為基礎，膠合后壓制或滾制的全向受力材料。這些材料受力特性更優秀，但密度較普通木材大，加工性也稍差。

木質手拋模型滑翔機

傳統的木質航模，其內部的承力結構比較復雜。

這款F1C模型滑翔機的全碳機翼內使用了發泡塑料填充

這款布局新穎的創新飛行器，機身用流線形復合材料外殼包裹，既美觀又有較好的減阻效果。

隨著石油工業的發展，泡沫塑料等一系列石油衍生品相繼出現。由于泡沫塑料的結構特點與航模材料要求契合，因此逐漸成為航模制作的常用材料，各種活動中經常能看到手持泡沫模型滑翔機玩具的孩子。特別是近年來，泡沫模型對傳統木質模型產生了很大沖擊，如今市場上超過60%的航模都采用泡沫塑料為主要結構材料，特別是普及類模型，比例更高。這種現象，一方面是因為泡沫塑料成本相對較低，可以大批量高效生產，而傳統木質模型的生產還需大量工人手工操作，成本較高;另一方面，泡沫塑料材質抗摔性能好，即使墜機也不容易損壞，破損后還能快速修補持續使用。此外，泡沫塑料可作為填充材料承擔空間造型功能，如模型直升機的碳纖維復合材料槳內膽、電動模型滑翔機的電池艙冗余空間等，一般都會選用發泡塑料填充。

高性能的室內模型飛機，大量采用碳纖維復合材料（碳桿/碳管/碳片）進行加強。

自20世紀60年代末70年代初開始，碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料等投入使用，如今已被廣泛應用于包括航空制造領域在內的各行各業。據悉，航空領域最早使用復合材料的是美國于20世紀70年代初為F-14戰機研制的復合材料平尾。由于這類新型復合材料的性能高于傳統材料，因此在航模上也開始逐漸使用。復合材料不僅重量輕，而且具有優良的剛性和強度。特別是其對飛行器曲面外形的制造有很好的適應性。模型上的各類設備以及任務載荷艙，可采用流線形的復合材料外罩包裹，整形減阻的效果不錯。（未完待續）