水火箭無動力滑翔機設計

王曉翔 王中賀

摘要：隨著航模運動的不斷發展，以中國國際飛行器設計挑戰賽為主的航模比賽獲得了人們的極大的關注。本文主要研究如何設計一款在滿足于競賽要求的情況下擁有較高飛行性能的無動力滑翔機。

關鍵詞：無動力;自主設計;滿足競賽要求;

1 設計要求

根據競賽規則，模型水火箭需將無動力滑翔機帶到一定的高度，水火箭與滑翔機分離，分離后水火箭以傘降方式落地，且留空時間大于10秒，滑翔機進行無動力滑翔飛行，在一定的時間內在指定范圍著陸，最終以滑翔機留空時間和著陸定點距離來計算滑翔機部分得分。通過多次發射數據得到：滑翔機達到40米高度最佳，這就要求我們在設計滑翔機時要平衡強度和質量的關系，減小上升過程中的阻力，以及如何保證飛機以較低的下沉率滑翔，同時要保證滑翔機在空中的穩定性以及操縱性，在滿足以上條件后還要考慮滑翔機和水火箭在整個發射過程中的有效配合，減小滑翔機對于箭體的不利影響。有了初步的設計要求后，結合相關書籍以及平常積累的設計電動滑翔機的經驗，對滑翔機的設計作出了定型。

2 滑翔機機翼設計

2.1機翼翼型選擇

通過對滑翔機飛行狀態的分析，我們認為本項目滑翔機機翼翼型要基本滿足以下條件：（1）低速的條件下有足夠的升力，且在一定的迎角變化范圍內升阻比變化幅度較小。（2）考慮到環境因素，尤其是風對飛行的影響飛機翼型要有一定的穿透性。（3）為減少滑翔機對水火箭的不利氣動影響，機翼應選用阻力小的翼型。

根據以上條件在翼型庫中選取出AG27、CLARK Y、MH32、MH46、MH18集中翼型進行分析，其中雷諾數選取200000，主要觀察迎角范圍-10°-15°，經過計算得到MH32翼型符合條件，因此選擇MH32翼型為滑翔機機翼翼型，且在4°左右翼型處于最大升阻比狀態，機翼安裝角設定在4°。

2.2機翼外形參數

機翼設計的第一步要確定機翼的平面形狀，考慮到制作時間以及制作難度，機翼平面形狀采用梯形機翼。機翼翼展確定為1m，翼根弦長Cr 為170mm，翼尖弦長Ct為150mm，經計算展弦比λ為6.25。為使滑翔機擁有更好的橫側穩定性，為滑翔機機翼加裝了上反角，經過機翼分析軟件對幾種上反角角度進行比對分析，最終將上反角設定在6°。

機翼幾何數據：機翼翼展：Lw=1m;機翼投影面積：Sw=0.159m2;后掠角：A=1.72°;上反角：ψ=6°;展弦比：λ=6.25;根梢比：n==1.13。

2.3 機翼結構設計

機翼的整體要求有較高的結構強度以應對在火箭發射瞬間的沖擊力，同時機翼的重量要盡可能的減輕。由于機翼后緣與火箭投放機構接觸，在發射時會受到一定的沖擊力，因此選擇將機翼后緣緣條加寬。翼梁結構采用雙層板對插的方式，在保證機翼強度的同時也減小了制作難度。前緣使用碳棒進行固定。（機翼結構圖，如圖1）

3 滑翔機尾翼設計

3.1 滑翔機水平尾翼設計

滑翔機在飛行過程中水平尾翼用于保證俯仰穩定性以及控制飛行時的俯仰姿態。對于水平尾翼的設計，平尾尾容量是設計的主要因素。

按公式計算：

式中：水平尾翼面積：SHT=0.028m2;尾力臂：lHT=0.385m;機翼面積：SW=0.159m2;平均氣動弦長：CA=0.16m

計算得：VHT=0.423

為減輕飛機重量且減少制作方面的難度平尾直接使用4mm輕木板切割制作。

3.2 滑翔機垂直尾翼設計

為保證滑翔機的穩定性，飛行過程中主要通過方向舵來控制飛機轉彎，垂直尾翼保證其方向穩定性、使其擁有良好的側風飛行能力。

按下式計算：

式中：垂直尾翼面積：SVT=0.015m2;尾力臂lVT=0.49m;機翼面積SW=0.159m2;機翼翼展：LW=1m

計算得：VVT=0.046

由于滑翔機是機翼上表面緊挨箭體安裝，若采用常規的垂尾安裝方法，垂尾將與箭體接觸，容易在發射時產生碰撞導致垂尾損壞，因此垂直尾翼使用反裝及垂直尾翼翼面在機翼下的方式，這樣不僅防止在發射時垂尾損壞，還使滑翔機垂直尾翼充當了水火箭尾翼起到了穩定火箭飛行的作用。

由于在降落時垂直尾翼會接觸地面，垂尾材料就要求要有足夠的強度，垂尾選用2mm層板進行切割制作。

4 滑翔機飛行試驗

在制作完第一架試驗機后，采用從高處手拋的方式來測試滑翔機操縱性能和穩定性能是否達到設計值，之后再將飛機安裝在水火箭上進行發射試驗以測試滑翔機留空時間是否滿足比賽要求。

在滑翔機高度達到40米高度左右后，進行無動力滑翔，留空時間可達到148秒，完全滿足比賽需求，且飛機的穩定性良好，很大程度地降低了飛手的操縱難度。經多次飛行試驗得出結論：滑翔機性能表現良好，各項指標都達到設計預期效果。（圖2為飛機等軸測視圖）

5 結語

經過推算，當展弦比增大到10時，飛機的滑翔性能會進一步提升，但考慮到飛機飛行阻力、結構強度以及發射沖力等因素，因此采用相對合適的小展弦比的方案。

參考文獻：

[1]《飛機設計手冊》總編委會編.《飛機設計手冊》第 9 冊·載荷、強度和剛度[M].北京：航空工業出版社，2000.

[2]《飛機設計手冊》總編委會編.《飛機設計手冊》第10冊·結構設計[M].北京：航空工業出版社，2000.