汪杭輝 沈曉梅 呂錫婷 林穎恬 袁秀強

(嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

0 引言

火箭助推滑翔機制作與飛行屬于航空模型運動，是浙江省力學(xué)競賽項目。它不僅是一項單純的競技運動，而且包含豐富的工程技術(shù)理論和制作內(nèi)容，需要制作者在掌握理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及空氣動力學(xué)等相關(guān)力學(xué)知識的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計與優(yōu)化，輔助以精致的手工工藝進行的研究探索活動[1,2]。這項活動可以使大學(xué)生學(xué)習(xí)航空理論知識，培養(yǎng)動手操作能力，培養(yǎng)進取精神和競爭意識，從創(chuàng)新人才培養(yǎng)的角度來講，此類運動無疑是對鍛煉學(xué)生綜合素質(zhì)、提高學(xué)生創(chuàng)新能力具有重要意義[3]。

項目以浙江省大學(xué)生力學(xué)競賽為背景，以火箭助推滑翔機模型制作流程為研究的最終目標(biāo)，首先參考相關(guān)文獻(xiàn)，分析模型飛機在空中飛行過程中各階段的受力特征，獲得模型飛機在發(fā)射后到落地全過程中的物理力學(xué)模型，基于此才能找到關(guān)鍵影響因素，為進一步的模型設(shè)計奠定良好的基礎(chǔ)；根據(jù)上述理論，學(xué)生進行模型制作及相關(guān)調(diào)試，最終獲得基于飛行理論的火箭助推滑翔機模型。

1 火箭助推滑翔機飛行過程的受力分析

火箭助推滑翔機飛行過程的受力分析見圖1。

參考相關(guān)文獻(xiàn)[4][5]，可知助推階段的運動微分方程：

(1)

其中，T為發(fā)動機推力；D為阻力；M為模型質(zhì)量；g為重力加度；v為飛行速度；t為時間；CD為阻力系數(shù);ρ為空氣密度;Aω為機翼面積。

速滑行階段的運動微分方程：

(2)

穩(wěn)定滑翔階段速度：

(3)

其中，CL為空氣升力系數(shù)。

2 火箭助推滑翔機的設(shè)計與制作

設(shè)計與制作過程可以分為以下步驟：

第一步，模型飛機外形設(shè)計，主要包括機翼、尾翼和機身的尺寸確定。各部分內(nèi)容依據(jù)上述相應(yīng)的計算理論進行設(shè)計。

第二步，手工制作。這一步主要涉及材料的裁切、黏貼及打磨。此過程中需要注意以下幾個方面：裁切過程中注意根據(jù)木材的紋理方向進行精細(xì)化的切割；黏貼過程中注意各個部件的對位準(zhǔn)確性，爭取一次定位準(zhǔn)確，避免出現(xiàn)反復(fù)黏貼的情況；打磨過程要嚴(yán)格根據(jù)形狀尺寸進行，同時注意木材本身紋理的方向、注意保持設(shè)計的流線性，減少棱角，從而提高雷諾數(shù)。

第三步，現(xiàn)場調(diào)試。通過手?jǐn)S試飛調(diào)整好重心位置。通過發(fā)射飛行獲得不同環(huán)境下發(fā)射高度、留空時間、飛行姿態(tài)等測試數(shù)據(jù)。

第四步，優(yōu)化方案。在對現(xiàn)場試驗獲得的飛行數(shù)據(jù)進行分析比對的基礎(chǔ)上，確定出最終形狀尺寸，見圖2。

3 結(jié)語

通過以上分析，在明晰火箭助推滑翔機在不同階段飛行理論的基礎(chǔ)上，通過模型設(shè)計、制作、調(diào)試、優(yōu)化四個階段，制作出理想的滑翔機模型?；诶碚撨M行模型制作的制作流程，有助于在火箭助推滑翔機比賽中取得好成績，還能進一步鍛煉學(xué)生運用理論結(jié)合實際的能力，對提高學(xué)生的創(chuàng)新能力具有重要意義。