祁浩宇　劉赫

在2016年全國“科研類”航空航天模型錦標賽上，筆者印象最深的是北京航空航天大學代表隊使用新型復合材料制作的極限載重模型飛機。它勾起了筆者之前關于鴨式布局飛行器的一個突發(fā)奇想：如果飛行器的結構設計足夠優(yōu)秀，是不是能打破載重模型飛機在布局上的桎梏，制作一款鴨式布局載重飛行器？

為此，筆者根據(jù)鴨式布局飛行器的飛行原理和氣動性能特點，通過比較鴨式布局與常規(guī)布局設計在各方面的優(yōu)劣，確定了這款飛行器的設計方案。該試驗的最終目標，是利用非常規(guī)布局增升減阻，讓鴨式布局飛行器提供高于同規(guī)格常規(guī)布局飛行器的升力。

初步設計方案

在搜集資料的過程中，筆者重點了解了飛機的飛行原理以及非常規(guī)布局飛行器的性能特點。簡單來說，飛機之所以能翱翔在天空，是因為流經機翼上下表面的氣流速度有差異，導致上下表面出現(xiàn)了壓力差，從而產生升力。

在方案設計階段，航模隊的前輩建議筆者采用遠距耦合鴨翼無尾式布局。這里所說的遠距耦合鴨翼布局，指的是鴨翼與主翼的距離超過了一個鴨翼的寬度。由于鴨翼離主翼距離較遠，因此二者間在氣動力上的干擾比較簡單，各翼面參數(shù)的匹配相對容易。許多鴨式布局的現(xiàn)代戰(zhàn)機都采用了遠距耦合布局，如歐洲戰(zhàn)機公司（英、德、意、西四國合作）的“臺風”。

在遠距耦合布局中，鴨翼不僅本身產生升力，其翼尖渦還會對流向主翼的空氣產生一些有利的氣動干擾。由于鴨翼和主翼都能提供向上的升力，因此全機升力作用點在重心之前，有抬頭趨勢。在設計時可通過增加主翼升力獲得低頭力矩的方法平衡，而這一舉措會形成一個機翼彎度，有利于減小全機的配平阻力。簡而言之，相比常規(guī)布局飛行器，采用遠距耦合鴨式布局的飛行器升阻比更高。除此之外，遠距耦合鴨式布局的鴨翼安裝角通常大于主翼安裝角。如此鴨翼會先于主翼失速，有利于防止全機陷入失速尾旋。

在初步設計方案中，試驗機主翼采用了經典的Clark-Y翼型。這種翼型的橫切面上彎下平，最大翼弦位置在20%弦長處。模型飛機的整體布局是鴨翼在前、主翼在后。為了增加升力，鴨翼的水平位置高于主翼。

模型制作過程

首先制作機身和主翼，材料為KT板。用KT板制作航模價格低廉、易修復，常被用于驗證機。

制作時，先將設計好的模型飛機CAD三維圖轉換成二維平面圖，然后將其導入激光雕刻機，得到機身和主翼的零部件。接著按照模型飛機三視圖，將機身和主翼分別組裝好，粘合劑為熱熔膠。這種膠價格低廉，在五金店就能買到，適合用于泡沫和泡沫間，或者泡沫和木材間的粘合。

由于KT板的強度有限，因此在主翼前緣三分之一處須加1根直徑2mm的碳桿，用于加強結構。主翼蒙皮采用吹塑紙。雖然吹塑紙比普通機翼蒙皮重，但是其簡單牢固、強度大，且在試驗過程中便于更換、造價低廉，是理想的驗證機蒙皮材料。鴨翼的制作方法與主翼類似，在此不再贅述。

分別做好機身、主翼、鴨翼和連接用的水艙后，就可以進行模型飛機的組裝了。之后需添加舵機、電調等電子設備。驗證機使用的動力電機是朗宇2212電機，搭配8060塑料雙葉槳。與常規(guī)布局飛行器相同，驗證機的電機固定在機身前端，稍帶右拉角。安裝完起落架等組件，模型飛機就做好了。

第一輪驗證飛行

在第一輪驗證飛行中，驗證機的問題出現(xiàn)在起飛過程。當模型飛機滑行到一定速度時，其迎角瞬間變大，同時機身劇烈傾斜，最終整架模型翻轉并摔落在地面。該問題每次都會發(fā)生，導致驗證機無法順利升空。

在尋找問題原因的過程中，筆者發(fā)現(xiàn)模型飛機突然抬頭是因為過重的配重塊。這架驗證機的配重塊布置在主翼上方，且重量很大，造成模型飛機在地面加速過程中產生了一個較大的抬頭力矩，還沒起飛就翻折。

經過計算，筆者發(fā)現(xiàn)自己設計的鴨式布局飛行器推重比很小，翼載荷卻極大，甚至高于常規(guī)布局飛行器。推重比直接影響模型飛機的性能：大推重比模型的加速性能好，可更快升空并達到最大飛行速度。翼載荷則影響了模型飛機的失速速度和爬升率。推重比過小，翼載荷又過大，二者的解決方法都是要給模型飛機減重。

為此，筆者在主翼后增加了一段機身，并在其上放置配重塊，既保證了全機重心仍在主翼的水艙處，又減少了配重重量。最后全機起飛重量減小了約50g。

第二輪驗證飛行

在第二輪驗證飛行中，驗證機的問題依然出現(xiàn)在起飛過程。模型飛機在滑跑中出現(xiàn)機身側旋，導致起飛失敗。具體情況是模型飛機還未加速到起飛速度就向右側旋，加之操縱手不熟悉鴨式機的性能，模型很容易在這一瞬間失控。

筆者專門錄了驗證機的起飛視頻。反復回放后，發(fā)現(xiàn)在滑跑過程中模型飛機向右側旋有兩個直接原因。一方面，模型飛機加速時，流經方向舵左右面上的氣流導致其自動打舵，滑行方向偏移；另一方面，筆者在設計模型機頭部分的拉力線時，仍然按照常規(guī)布局的思維，人為添加了一個向右的側拉。由于在起飛滑跑時，模型飛機始終在距地面1米的高度范圍內，因此在速度積累的過程中很容易產生右側旋。除此之外，模型的前起落架設計得太高，造成全機左右搖擺，操縱手只能用方向舵不斷修正。而這架驗證機因轉動慣量較大，容易在起飛時向左偏轉，使得操縱手不得不用右舵修正。

雖然找到了直接原因，但是要根本解決問題，還是得從飛機設計的理論和經驗入手。在前輩的點撥下，筆者認為該問題的根本原因是機翼面積過小、螺旋槳扭矩過大、發(fā)動機轉速過高……嘗試換了一個扭矩較?。~面扭轉較為平緩）的螺旋槳后，這個問題得到了很大改善。

其他問題和解決方法

通過增加一段機身和更換螺旋槳，模型飛機不僅大幅減重，而且起飛更平穩(wěn)。改造后，已能平穩(wěn)地滑跑起飛，并可在離地面兩米的高度短暫飛行。不過這只是試驗中前進的一小步，之后筆者對這種鴨式布局飛行器又做了不少設計上的改進。

1.機翼

在試驗初期，模型飛機采用的是盒式機翼，主翼和水艙直接連接。后期筆者在主翼上加了一個平臺，讓其與水艙平行粘接，使水艙與主翼的連接更牢固，水艙位置也更準確。之后又在模型主翼上增加了兩個翼刀作為安定面，減輕了模型飛機在整個飛行過程中的側旋傾向。

2.機身

先是在水艙位置加了整流罩，降低了全機阻力。后因筆者懷疑是方向舵的粘連方式造成流經其左右的氣流速度不同，從而方向舵自動打舵，使得模型飛機容易側旋。故又加厚了方向舵，并確保其左右對稱。

由于采用了遠距耦合鴨翼布局，因此模型飛機的前起落架和主起落架的距離較遠，且前起落架做得很高，方向性很差。解決方法是提高起落架的制作精度并加固前起落架。

在前兩輪驗證飛行中，模型飛機的機身全部都使用KT板制作。然而因為KT板強度低，所以導致模型機身頻頻折斷。在之后的試驗中，筆者改用KT板加木板制作，提高了機身強度。

3.配重和重心

在設計方案中，鴨式布局驗證機的重心在機身中軸線上，靠近主翼。初期筆者嘗試在主翼上放置配重塊，卻發(fā)現(xiàn)會影響主翼升力：于是將配重塊轉移到水艙下部緊貼主翼的地方，但配重量一度達到1.635kg，嚴重增加了全機起飛重量。后期，配重塊被移到主翼后邊，并利用加出來的一節(jié)機身（兩根碳管）增大力矩、減輕配重量，效果顯著。

4.控制和穩(wěn)定

考慮到要在水艙上方快速裝載水袋，垂直安定面裝在了前起落架位置。這樣一來，模型飛機的操縱性雖然得到增強，橫向穩(wěn)定性卻降低了。在試驗過程中，筆者給模型飛機增加了1個A3 Super陀螺儀，嘗試用它的自穩(wěn)功能來改善模型的穩(wěn)定性。最后通過逐漸增大陀螺儀的感度和舵機行程，改善了模型飛機的飛行穩(wěn)定性。增大了陀螺儀的感度和舵機行程后，還需給模型飛機提供足夠的升力、改善飛行姿態(tài)，因此對鴨翼也做了多次更改，加大了升力面。

鴨式布局飛行器是筆者的一次飛行器設計探究性試驗。之前做的大量前期設計和方案，大部分都用到了驗證機上。在試驗過程中，驗證機墜毀了很多次，但每一次失敗都成為下一架模型飛機的改善依據(jù)。從最初的無法起飛，到最后能離地飛行一段，驗證機有了眾多版本和改進型，制作工藝也一直在提高。

通過這次探究性試驗，筆者逐一驗證了許多設計方案，積累了鴨式布局飛行器的制作和飛行經驗，如采用鴨翼在前、主翼在后，鴨翼的水平位置高于主翼且安裝角大于主翼的設計方案。這種遠距耦合鴨翼布局飛行器能獲得比常規(guī)布局飛行器更大的升力。

目前這款鴨式布局驗證機仍存在一些問題：模型飛機起飛迎角過大的問題尚未得到徹底解決，還是容易向后翻折；操控難度較大，模型易失控；平飛時會有一段波狀飛行狀態(tài)，說明全機配平還需微調；在有風環(huán)境中方向舵仍會受到影響，導致模型飛機的飛行方向出現(xiàn)偏差；陀螺儀不太適合鴨式布局飛行器等。這些問題都有待筆者和模友們共同解決。