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(guān)注，市面上開始出現(xiàn)大量的電動滑翔機產(chǎn)品，滑翔機項目市場前景廣闊。本文主要探討如何設(shè)計一架競賽級電動滑翔機，以及基本模型性能問題，為發(fā)展電動滑翔機提供理論幫助。

關(guān)鍵詞：電動；自主設(shè)計制作；計算流體力學；追求競賽性能

一、設(shè)計要求

在國際通行的電動滑翔機競賽項目規(guī)則中，要求飛機先在規(guī)定時間自由飛行，之后在固定時間內(nèi)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(zhuǎn)化為較低下沉率的滑翔，其中獲得最小下沉率是至關(guān)重要的。有了初步的設(shè)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(jù)以往經(jīng)驗，我們構(gòu)思出了飛機的基本草圖。

二、飛機的總體參數(shù)

本項目所設(shè)計研制的飛機是一款強調(diào)巡航性能，展弦比為10.4的固定翼飛機，飛機翼展2m（飛機設(shè)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(jù)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(zhuǎn)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(shù)

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(jù)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(shù)：

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(shè)定常用巡航高度為50100m，巡航速度為15m/s。

計算雷諾數(shù)為Rew=ρVcWexp/μ=233762，選出CLARK Y、MH112、MH113、MH114、MH116幾種翼型進行分析，雷諾數(shù)取24000。在不同迎角下，MH114表現(xiàn)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(shè)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(huán)境的良好可控性，故設(shè)計平尾尾容量值為0.34，略大于常規(guī)值。

飛機采用較大平尾設(shè)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(wěn)定時，大平尾通過偏轉(zhuǎn)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(wěn)定性。

六、垂直尾翼設(shè)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(jīng)具備相當高的穩(wěn)定性；飛機使用人工遙控操縱方式飛行，設(shè)定的人工操縱技術(shù)較高。

垂尾尾容量設(shè)計主要是保證橫側(cè)安定性和操縱性品質(zhì)。足夠的垂直尾翼能夠避免飛行過程中出現(xiàn)荷蘭滾、好的側(cè)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(jié)構(gòu)設(shè)計

飛機主體結(jié)構(gòu)采用巴爾沙輕木材料，采用熱縮膜蒙皮，主要承力結(jié)構(gòu)為互相配合的碳纖維復合材料，具有結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，前機身四面用輕木條和隔框做成封閉的機身結(jié)構(gòu)，具有較好的抗彎、抗扭和減重效果。

八、機翼結(jié)構(gòu)設(shè)計

我們采用的盒式機翼結(jié)構(gòu)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(shè)計完成后，將CAD設(shè)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(jié)構(gòu)主要使用502膠水進行粘結(jié)，飛機蒙皮所使用的熱縮膜通過熨斗加熱的方式使其粘結(jié)在飛機結(jié)構(gòu)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(nèi)部殘余拉應力也能減緩機翼變形。

試飛結(jié)論：飛行性能良好，基本滿足設(shè)計要求。

十、行業(yè)應用前景

軍用方面：小型滑翔機可以應用于軍事偵察領(lǐng)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(shè)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(shè)計合理，結(jié)構(gòu)可靠，方便大量生產(chǎn)，經(jīng)久耐用。在商用定制模具后，可以廣泛的應用于生產(chǎn)銷售，有助于推廣航模運動。

項目：大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（項目編號：IECAUC2017153）