室内微小模型飞机的设计与制作(8)[文档资料]

室内微小模型飞机的设计与制作 (8) 本文档格式为 WORD,感谢你的阅读。 2014 年 7 月 21日 8 月 2 日，同济大学飞机制造专业新一届微小飞机设计与制作课程再次成功实施。吸取了上届的经验教训，这届课程无论是教学内容还是形式上都有很大改进，除保留了已有的室内模型滑翔机、纸飞机制作以及风筝气动设计等内容外，还新增了超级电容自由飞模型飞机的制作，并对微小模型飞机设计、制作环节的内容做了调整。整个课程中，同学们先后制作了 60余架纸飞机、 20 余架超级电容自 由飞模型飞机、 12架生肖卡通模型飞机、 1 架巨型人形模型飞机、 1 架全动伞翼机以及 1 架 3D打印模型旋翼机。 课程强调理论结合实际、手脑并用，既考虑到知识性、趣味性，又通过 12生肖卡通模型飞机、巨型人形模型飞机及 3D打印模型旋翼机的制作实现了新突破，培养了学生科技艺术素养、挑战自我精神以及创新思维，深受大家的喜爱。同时，该课程还被中新网、人民网、解放网、凤凰网等众多主流网络媒体关注和报道。 整个课程期间，先后举办了两次比赛。一次是室外超级电容自由飞模型飞机大赛，另一次为室内 12 生肖模型飞机试飞视频大赛（暨微型飞机设计与制作课程作品展，图1、图 2）。 下面对 2014 年同济大学微小飞机设计与制作课程设计的细节做进一步披露，并将课程的教学经验整理出来与广大航空爱好者分享，也供相关高校设立类似课程参考借鉴。 循序渐进 现有教育体制下，我国学生，特别是中学生的动手实践环节严重缩水。即便是上了大学，低年级学生中仍有很大一部分人连电烙铁、台钻等基本工具都未接触过。加之学生个体基础参差不齐，因此要使所有的学生在两周（ 10个工作日）内真正学会设计、制作室内模 型飞机，进而掌握飞机设计的基本要领，并非易事。 为此，老师结合航空专业低年级学生的知识储备及能力水平，精心设计出一套由易到难、循序渐进的教学计划与方案，具体如下： 第一阶段，利用半天时间让每个同学制作最简单的无动力飞行器 纸飞机和室内模型滑翔机； 第二阶段，利用一天时间教同学们用气动软件设计风筝； 第三阶段，利用一天时间让同学们分组制作超级电容自由飞模型飞机（可称其为 “ 半动力 ” 模型），并举行自由飞模型飞机大赛。 最后阶段，利用 7 天半时间，带领同学们分组完成 一次完整的电动遥控室内模型飞机的设计、制作与试飞全过程。 以上各阶段，老师在课堂上穿插讲解要领，随时解决同学们在模型飞机设计、制作中遇到的各种难题，并集中组织学生们进行比赛和试飞。 经过上述 “ 无动力 到 风动力 ，再到 半动力 和电动遥控模型飞机 ” 的亲身设计、制作体验，同学们对航模的设计、制作有了全新的体会。而老师也希望同学们藉此对实际飞机的研制思路和流程有所感悟。 （ 1）无动力飞行器 纸飞机和室内模型滑翔机 纸飞机和室内模型滑翔机是大家儿时经常做的游 戏。严格地讲，它们都属于无动力飞行器。这届课程中之所以增加此项内容，是希望学生们通过亲身实践，了解和体会重心对飞机稳定性的重要性，以及飞机的基本飞行原理。图 3 是同学们制作的纸飞机和室内模型滑翔机。上期已有过简要介绍，其具体折法网上有不少教程，有兴趣的读者可访问如下网址学习： “ 复仇者 ” 纸飞机的折法可访问 http：//album/546ae1857c0de81148f28c61.html？ picindex=1，小型手工折纸室内模型滑翔机的演示及制作视频为 http：//show/8nUzWrI_hJgTcrhkUFoctQ.html。 （ 2）风筝气动设计 风筝是一种系留的风动力飞行器，其设计、制作背后饱含了丰富的空气动力学原理。有风筝制作经历的人都知道，任何风筝都不可能随便一做就能成功上天。它涉及到风筝的形状与大小、重量与重心、迎角、风向与风力、系留绳的布置与连接位置等诸多因素。说得更深点，就是要把握好风筝拉力、升力与阻力之间的关系，以及其受到空气扰动后横向与纵向的回复力矩。其中，风筝拉力、升力、阻力间的关系直接决定其是否能够上天，而横 向与纵向的回复力矩则直接影响其在空中飞舞的稳定性。课程中，让学生使用 Kite Modeler 气动软件设计风筝，就是希望大家能更深入地体会到这一点。 Kite Modeler 气动软件内建有 7 种风筝构型（图 4图 10）。它们分别是盒子风筝（ Box Kite）、三角风筝（ Detla Kite）、雪橇风筝（ Sled Kite）、钻石风筝（ Diamond Kite）、双陷阱风筝（ Twin-trap Kite）、双盒子风筝（ Double-box Kite）和风滚草风筝（ Tumbleweed Kite）。上期已 对相关内容做过简要介绍，若仅想亲手设计并制作一架能飞起来的风筝，只需再结合相关图片即可完成。如果还想进一步了解风筝设计背后的空气动力学原理，建议登陆美国 NASA 的相关网站 http： /./K-12/airplane/kiteprog.html 仔细研究。 （ 3）超级电容自由飞模型飞机 超级电容是一种新型静电型高密度能量储存器，以附有活性碳膜的金属薄片作为正负电极。它比普通电解电容器储存的电能要高得多，一般可达后者的 1 000 倍以上。由于超级电容的充电时间极为迅速， 仅需几十秒至数分钟，因此已在数码产品、掌上电子产品、电磁阀的应急供电及精密仪器等领域被广泛应用。 而用超级电容做电源的自由飞模型飞机实际上几年前就已出现。在一些航模论坛中，网友们分享过不少自己的超级电容自由飞模型制作经验；甚至个别中学的科学课也将它纳入其中。 作为无动力模型飞机与遥控电动模型飞机之间的一个过渡环节，老师将超级电容自由飞模型飞机的制作首次纳入课程体系，主要目的是希望学生亲身体会模型飞机操纵面偏转与其飞行姿态间的关系。超级电容自由飞模型制作简单，有一定的滞空时间。因其滞空时间 、飞行姿态可分别通过电容充电时间与尾翼迎角（偏角）等进行调节，故更具趣味性（图 11）。 （ 4）遥控电动卡通模型飞机 在课程作品展上，同学们自行设计制作的 12生肖卡通模型飞机成为一大亮点。这 12架卡通模型均为固定翼，翼展和机长在 300 400mm。除 “ 飞牛机 ” 外，其余几架均呈盘状。在设计中， 12 组同学充分发挥自己的想象力，根据 12生肖动物的形态，将动物的卡通形象融入各自的模型飞机中。所有的模型均采用 2.4G 无线遥控及 6 通道微型接收机，遥控范围约数百米，适于室外飞行。这些可爱的动物卡通飞机个个形 象逼真，图 12图 16 是其中的几款，有的张牙舞爪、有的可怜伊人、有的神态张扬。 12架卡通模型飞机的布局构思也不相同。 “ 飞牛机 ” 的三角形机翼上是一幅怒气冲冲的公牛图案，牛角为模型的升降舵与副翼； “ 飞虎机 ” 以卡通虎的形象作为盘形机翼，用老虎夸张的尾巴作为机身； “ 飞猴机 ” 的机翼则是一个顽皮的披着斗篷的小猴，机身巧妙地用其尾巴和香蕉构成 为了减轻重量，所有卡通模型飞机的机身和机翼均采用 3mm 厚的 D 板（ Depron 泡沫板）制作；电池选用 7.4V 锂电池；发动机为 9g微型无刷电机，可提供约 80g 拉力；发动机架 用 3mm 厚的层板制成。 全动伞翼机与 3D打印微型模型旋翼机 本届课程中，有一组同学的任务是将一架翼展 1.5m 的三角形风筝改装成遥控全动伞翼机（图 17、图 18）。这项任务不仅仅是在风筝上增加一套机身、动力、起落架和操纵机构那么简单。要使改装后的模型具有良好的飞行性能，除了考虑模型的动力与阻力、重力与升力之间的匹配关系外，还要考虑整机的重心与稳定性。值得一提的是，这架伞翼机有别于普通的伞翼机，采用了全动伞翼控制技术，即仅通过伞翼的俯仰和侧倾就能实现对整机飞行姿态的控制。这样可以减 少模型飞机的舵面数量，从而提高可靠性。 另一组同学的任务是研制一架微型 3D打印模型旋翼机（图 19、图 20）。目前国内外采用 3D打印技术直接研制模型飞机并试飞成功的并不多见，而 3D打印模型旋翼机就更是闻所未闻了。为此，该小组同学先试制了一架常规碳纤杆结构的微型旋翼机，随后参照它以及 3D打印技术的特点进行计算机建模，进而得到 3D打印旋翼机的骨架模型。接下来，打印出整机的骨架，并装上一对直径 6mm 的 614 空心杯微型电机，以提供拉力。通过 2.4G 无线电遥控这两个微型电机，即可控制模型的升降与航向。特别是航 向控制，由两个电机的差动即可实现。在机头顶端，加装了一根直径 1mm 的细碳杆轴以支撑直径 200mm 的旋翼，并为模型提供所需的升力。整机的能源来自一个 3.7V 微型锂电池（重约 2g）。目前，这架3D打印模型旋翼机已完成了初步试飞。 巨型 “ 飞人 ” 模型飞机 2014 年 7 月 31日清晨，在同济大学南校区操场， “ 飞人 ” 组的同学们成功放飞了一架奇特的模型飞机（图 21）。整架模型的轮廓为人形，高约 3.5m、臂长 1.6m，个头约为普通人的两倍，十分惊人，堪称此类模型飞机中的巨无霸。同学们在实验室里组装调试时， 它只能平 “ 躺 ” 着。因为天花板高度只有 3 米，巨型 “ 飞人 ” 根本无法 “ 站 ” 起来（图22、图 23）。 这架巨型 “ 飞人 ” 机体材料为 5mm 厚的 KT板，从正面看是一个双手下垂的男子模样。 “ 飞人 ” 的小腿及脚外侧设置有两个操纵面，采用副翼与升降舵混控模式控制整机的横滚和升降。 “ 飞人 ” 的身体和双臂为主升力面， “ 掏空 ” 的胸部用于安装发动机、锂电池组及其它载荷。 由于整架 “ 飞人 ” 体型庞大，而 KT板相对较薄，容易变形，因此同学们对它的手臂及胸部等部位使用碳纤管及轻木条进行加固。这架巨型 “ 飞人 ” 动力系统配置为： 1 个 大功率 4250 无刷电机配直径 250mm 的木质螺旋桨、 6S/22.2V 锂电池、 60A 电调，遥控设备为天地飞 2.4G 遥控器及 6 通道接收机。整机总重量约 3kg。 新一届课程使航空专业学生亲身经历了一轮微缩简化版的飞机设计、研制、试飞全过程。看似是在教学生制作会飞的遥控玩具，但这种 玩具 的设计、制作却与普通模型爱好者完全不同。它除了要求学生制作、试飞成功微小遥控模型飞机外，更强调气动分析、推力测试、 CAD建模等飞机的设计环节。而将动物卡通形象融入飞机设计，则主要是为增加课程的趣味性，同时对工科学生的科技 艺术修养来说也是一次小小的挑战。 总体来说，同济大学 2014 年的微小飞机设计与制作课程设计开展得非常成功。然而受资金、课时及课程经验等因素限制，一些细节仍有待进一步完善。具体可概括为： 1）风筝设计虽已成为课程的一部分，但制作环节一直未能引入，存在遗憾。值得注意的是，目前国内外还出现了一种 “ 动力风筝 ” 。这种动力风筝的设计、制作技术一旦发展成熟，也有望引入课程之中。 2）本届课程中首次加入了超级电容自由飞模型飞机制作，但主要以仿制为主。基于动力系统性能测试与飞机气动性能分析的 超级电容自由飞模型设计仅尝试性地投入了少量人力、物力，定量设计尚未全面引入。 3）课程中，遥控模型飞机采用了集中试飞的模式，即请有经验的飞手在指定时段与地点试飞，统一检验模型飞机的性能，解决了同学们在模型飞机设计、制作完成后的 “ 后顾之忧 ” 。然而，其缺点也显