孫振華，柳忠艷，吳瑞軒，張 超

（1.銀川科技學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏機(jī)械研究院（有限公司），寧夏 銀川 750021）

1 研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單一材料已經(jīng)無法滿足社會市場的需要。而在無人機(jī)領(lǐng)域，只有復(fù)合材料，才能滿足其發(fā)展需求。在國內(nèi)，除軍事領(lǐng)域外，以玻璃鋼復(fù)合材料制作模型飛機(jī)及其模具的案例相對較少，更多的只是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。文章以固定翼航模的設(shè)計(jì)制作為案例，擬解決傳統(tǒng)模具制造成本高、制作時(shí)間長及質(zhì)量較大的缺點(diǎn)，完善航空模型領(lǐng)域的設(shè)計(jì)及制作方式，為玻璃鋼復(fù)合材料模型航模的發(fā)展提出一種新的可能[1]。

2 固定翼航模的參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)翼設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)機(jī)翼的平面形狀為矩形機(jī)翼與橢圓形機(jī)翼相結(jié)合，均衡升力的同時(shí)還可以降低誘導(dǎo)阻力，具有較強(qiáng)的兼容性。確定機(jī)翼外形參數(shù)投影如圖1 所示。

圖1 機(jī)翼外形投影參數(shù)圖（單位：mm）

2.2 翼型選擇

航模的雷諾數(shù)普遍在10 萬～100 萬之間，這個(gè)區(qū)域的雷諾數(shù)變化對于氣動力，尤其是阻力的影響十分明顯，適當(dāng)?shù)卦龃罄字Z數(shù)可以減小阻力系數(shù)[2]。

雷諾數(shù)計(jì)算公式：

式（1）中：ρ為空氣密度；v為空氣流速；D為特征尺寸；u為空氣黏度。

根據(jù)所設(shè)定的巡航速度，取v=40 m/s，根據(jù)平均弦長，取D=1.184 m。當(dāng)高度定為100 m，此時(shí)計(jì)算得到雷諾數(shù)Re=320 599。故在Profili 軟件中選取翼型時(shí)，選取的雷諾數(shù)Re=320 599。

參考同類型固定翼航空模型翼型選取方案，選出了NACA4415 和CLARK Y 兩種典型翼型，并在Profili軟件中取雷諾數(shù)Re=321 000，進(jìn)一步對比，分析結(jié)果如圖2 所示。

圖2 翼型對比分析圖

從升力系數(shù)曲線來看，NACA4415 整體高出很多，從阻力系數(shù)曲線來看，NACA4415 在迎角1°～3°時(shí)具有明顯的阻力改善，一旦超過這個(gè)區(qū)域，阻力系數(shù)將會明顯增大，故選擇NACA4415 作為機(jī)翼的翼型。

2.3 機(jī)身設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)機(jī)身采用筒形機(jī)身，為了增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，采用了玻璃鋼復(fù)合材料硬殼式機(jī)身結(jié)構(gòu)。據(jù)已有設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)定機(jī)身尺寸為：長0.75 m，寬0.05 m，高0.05 m。機(jī)身幾何參數(shù)如圖3 所示。

圖3 機(jī)身幾何參數(shù)圖（單位：mm）

2.4 尾翼設(shè)計(jì)

平尾幾何參數(shù)主要取決于平尾容量[2]。

式（2）中：S平尾為平尾面積；S為機(jī)翼面積；L平尾為平尾力臂；C為平均氣動弦長。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取A平尾=0.7。在構(gòu)型設(shè)計(jì)中，為進(jìn)一步減少固定翼航空模型阻力，將平尾平面形狀設(shè)計(jì)為近似橢圓形，為減少計(jì)算量，在此采用近似替代計(jì)算法，將平尾平面圖形外接垂線與切線交于一點(diǎn)，通過對稱，等價(jià)近似替換為2 個(gè)大小相等的梯形，如圖4 所示。

圖4 近似代替計(jì)算簡化圖

通過近似代替計(jì)算法簡化圖形。以此，在XFLR5軟件中輸入平尾翼展220 mm，通過翼根弦長和翼尖弦長計(jì)算得出平均氣動弦長為52.36 mm，并根據(jù)所建立的模型大致估算出L平尾=600 mm，代入公式（2），得平尾面積為113.3 cm2。最后得出平尾外形投影參數(shù)如圖5 所示。

圖5 平尾幾何參數(shù)圖（單位：mm）

同理，可以得到垂尾的平均氣動弦長為46.63 mm，代入垂尾容量計(jì)算公式：

式（3）中：S垂尾為垂尾面積；S為機(jī)翼面積；L垂尾為垂尾力臂，取530 mm；B為機(jī)翼翼展。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取A垂尾=0.04，得垂尾面積為55 cm2，最后得出垂尾外形投影參數(shù)如圖6 所示。

圖6 垂尾幾何參數(shù)圖（單位：mm）

3 玻璃鋼模具的制作

在前文對固定翼航模設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上來完成對玻璃鋼模具的設(shè)計(jì)與制作。而完成玻璃鋼模具設(shè)計(jì)與制作之前，需完成母模的設(shè)計(jì)與制作，即完成對PVC型芯模具的設(shè)計(jì)與制作。其制作流程如圖7 所示。

圖7 玻璃鋼模具制作流程圖

可以得到玻璃鋼固定翼航模模具效果圖，如圖8、圖9、圖10 所示。

圖8 玻璃鋼機(jī)翼模具效果圖

圖9 玻璃鋼尾翼模具效果圖

圖10 玻璃鋼機(jī)身模具效果圖

4 結(jié)束語

文章通過對固定翼航空模型機(jī)翼、機(jī)身及尾翼的參數(shù)設(shè)計(jì)和計(jì)算，以及對PVC 板材的預(yù)處理、軟件處理和雕刻機(jī)加工完整流程的陳述來完成玻璃鋼模具的制作。在完善航空模型領(lǐng)域的設(shè)計(jì)及制作方式的同時(shí)，也為其他航空無人機(jī)設(shè)計(jì)及制作方式提供參考。