室内微小模型飞机的设计与制作(7)

在本系列文章中,笔者首先介绍了3D打印室内模型飞机,随后结合其原型机――1架碳杆/薄膜蒙皮室内模型飞机的设计与制作,详细说明了室内模型飞机动力测试、升力/阻力确定、性能分析、电磁舵机制作以及相关的一些设计制作技巧等细节.

而上述3D打印室内微小模型飞机及碳杆/薄膜蒙皮室内模型飞机仅是2013年同济大学航空专业低年级本科生《微小飞机设计与制作》课程设计的很少一部分.2013年7月,同济大学航空航天与力学学院在飞机制造专业大二学生中首次开设了《微小飞机设计与制作》课程设计,面向全校航空专业学生普及室内微小模型飞机的设计与制作知识.在结课典礼上,学生们还举办了2013年同济大学微型飞机大赛暨《微型飞机设计与制作》课程作品展（图1、图2）.展览中,40多名大二学生提交了10架室内微小模型飞机和30余枚微型昆虫动力飞机.其中,“苍蝇”飞机等多架模型已成功完成试飞.

课程设计中,学生们除了设计、制作室内微小模型飞机外,还开展了一些有趣的活动,如室内模型滑翔机、纸飞机制作以及风筝气动设计等.这些教学实践活动理论结合实际、动手和动脑并重,既有科学性、又有趣味性,深得同学们的喜爱和欢迎,同时也得到了包括《人民日报》、《光明日报》、《中国青年报》、《上海电视台》等大众媒体的报道.

本文将对2013年度同济大学《微小飞机设计与制作》课程设计的细节做进一步披露,主要目的是：

（1）为高校,特别是设有航空专业的高校推广和普及室内微小模型飞机设计、制作提供宝贵的经验和参考；

（2）室内模型飞机尺寸小、制作难度适中、成本相对较低,若对该课程设计进一步删繁就简,可适用于中学生,甚至小学生的航模科普活动；

（3）该课程为广大模友设计室内模型飞机提供了一套简单实用的理论与实验方法,对提高他们的设计水平,特别是理论水平,具有现实的借鉴意义.

1.巴掌大小的

室内微小模型飞机

本次参展的10架微型模型飞机均为固定翼,可平放于掌心,适于室内飞行；均采用红外遥控,遥控距离约20m.10架模型的总体布局各不相同,有3架单翼机、两架双翼机、1架联翼机、1架三翼机,1架椭圆翼机、1架碳杆/薄膜“蝴蝶”机,以及1架“蝴蝶”花式机和1架“零”式迷你机（图3～图6）.为减轻重量,所有模型飞机的骨架、蒙皮等结构均采用直径0.5～1mm的碳纤杆、2mm厚的EPP泡沫板/轻木薄板或0.01mm厚的塑料薄膜等轻质材料；动力电池选用重量3g或7g的3.7V锂电池；发动机使用直径6mm的有刷小电机（空心杯电机,通过减速齿轮减速后可产生约20g拉力）.

10架模型的共同点可概括为两个字：“小”和“轻”.其中尺寸最大的翼展为250mm、机长210mm、起飞重量约20g,所配螺旋桨直径为110mm；而尺寸最小的翼展不超过70mm、机长不到50mm,总重仅10g左右,螺旋桨直径45mm.所有模型的升降舵和方向舵等舵面均采用自行研制的微型小电磁舵机驱动,单个舵机重量小于1g.舵机的磁芯为圆柱形钕铁硼强力小磁铁,柱状磁铁直径仅3mm,舵机线圈内径为5mm.

值得一提的是两架“蝴蝶”造型的模型飞机,它们的设计参考了大型野外凤蝶的外形特点,巧妙地借鉴了蝴蝶滑翔降落的仿生学原理.

2.体验飞机设计、

研制、试飞全过程

现代飞机设计与制造是一个系统工程,涉及机械、电子、化工、材料等各个学科.作为航空相关专业的学生,整个大学学习过程中接触的航空专业知识其实只局限于特定的专业方向,覆盖面很窄.学生们很难有机会站在一定高度上把握飞机设计、制造、试飞的全过程,容易形成“只见树木,不见森林”的感觉.

本次同济大学开设的暑期《微型飞机设计与制作》课程设计,其目的就是要使航空专业的学生们亲身经历一轮微缩简化版的飞机设计、制造、试飞的全过程.课程看似组织学生分组制作会飞的遥控玩具,但这种“玩具”的设计、制作过程是完全有别于普通模型爱好者的.它除了要求学生们制作、试飞成功微小遥控模型飞机之外,更强调气动分析、推力测试、CAD建模、电磁舵机设计等与飞机设计相关的各个环节.正所谓“麻雀虽小,五脏俱全”.

根据该课程,在模型飞机初步设计阶段,每个小组的4位同学要先给出待设计模型的航时、起飞重量、翼展、机身长度、高度、发动机、电磁舵机驱动力矩等设计目标与参数,进而确定出整机的总体布局及构型方案.

进入详细设计阶段后,4位同学则分工明确：1人负责CAD建模,使用AutoCAD软件在电脑上进行全机制图；1人负责电磁舵机与系统控制,绕线圈并设计、制作适合自己模型舵面连接形式的电磁舵；1人利用自制的发动机推力测试系统对电机进行推力测量；还有1人利用美国NASA网站上的气动软件Tunnel计算并分析整机的升力/阻力等气动性能数据.上述工作完成后,综合发动机推力、整机的升力与阻力、电磁舵机扭矩及模型最初预设的目标参数,再反过来对初步设计方案进行修订（图7）.设计方案确定后,各小组就可进入模型的制作阶段了（图8）.经过大家的共同努力,各组队员均完成了模型飞机的设计和试飞.

3.放飞“苍蝇”飞机

除了上述10款室内模型飞机外,同学们在课堂上还放飞了一批比普通邮票还小的“苍蝇”飞机.所谓“苍蝇”飞机,实际上是以苍蝇作为动力的微小模型飞机.这些“苍蝇”的重量仅有0.04g（相当于一颗黄豆）,翼展12mm,与五角硬币大小相当.整架小飞机机体由很轻的油封纸裁剪、折叠而成.在实践课上引入“苍蝇”飞机的主要目的一是激发学生们的创新思维,二是发掘昆虫动力模型飞机的应用潜力.

其实,“苍蝇”飞机的设计、制作并不容易.为了获得飞机的“发动机”――苍蝇,同学们在校园设置了十余处扑蝇器,用自制的笼子捕捉苍蝇（图9）. 苍蝇“发动机”有了,接下来就要测量它的推力.为此,同学们想出了一个简单而实用的方法：竖起一根半米长、直径0.6mm的碳纤杆,顶端用细线黏住苍蝇；然后驱赶苍蝇,并用摄像机记录下它拉动碳杆顶端的位移,再根据位移值与碳纤杆的刚度估算出苍蝇的拉力.实验结果表明,苍蝇飞行中的拉力可达0.1g,与其自身重量相比,其推重比（飞机的发动机推力与其自身重量之比）高得惊人,达到2.5.与美国最先进的第五代战机F-22推重比1.2相比,“苍蝇”飞机的推重比约为它的两倍. 获得了苍蝇“发动机”的推力数据后,接下来就是确定“苍蝇”飞机的构型,并计算其升力与阻力.为此,同学们提出了常规布局和三角翼布局两种方案,并用简易气动软件Tunnel估算了两种布局的升力与阻力.有了“发动机”和整机方案,用剪刀裁剪油封纸做出机体,并将苍蝇“发动机”与机体用直径0.5mm的超细碳纤杆胶结,合格的“苍蝇”飞机就完成了（图10）.面对大自然残酷的生存法则,苍蝇练就了高超的飞行技能,可谓微型模型飞机的高性能“发动机”.此外,同学们还对“蝉”动力飞机及“黄蜂”动力飞机进行了类似的尝试（图11）.

4.纸飞机及室内模型滑翔机制作

几乎每个人在儿时都玩过纸飞机,都曾拥有飞翔的梦想.在课程开始之初,作为“热身”,还特意安排学生用打印纸分别制作试飞了纸飞机及室内模型滑翔机.这两项活动实际上是同学们孩童时代经常做的游戏.国外中学生中经常开展这类科普活动,我国中学生却因升学压力,这样的活动鲜有进行.而在课程中增加这两项活动,具有以下作用：

（1）通过亲身实践和体会,了解重心对飞机稳定性的重要性以及飞机飞行的基本原理.

（2）增加了课程的实践性、科普性、知识性和娱乐性.这个环节里,学生共制作了室内模型滑翔机40余架、纸飞机40余枚,在愉快的气氛中学到了知识（图12）.

5.风筝气动设计

从某种意义上讲,风筝是人类发明的一种历史最为悠久的飞行器,几乎每个人都放过风筝,接触过这种飞行器.如果说纸飞机是无动力飞行器,室内模型飞机是电动飞行器的话,那么风筝应属于风动力飞行器.

风筝的气动设计需要用到美国NASA的空气动力学软件Kite Modeler.通过该软件,同学们共设计了7种构型的风筝,并计算了其尺寸、重量以及某级风速下的飞行高度、距离等参数.然而遗憾的是,由于时值高温暑期,加上课时有限,因此风筝设计完毕后,制作、放飞等环节均被迫放弃,没有进行.

Kite Modeler软件是一款基于JA技术的开放式网络在线运行程序.只要电脑安装有JA运行环境（JRE）,联网并访问美国NASA网站： .grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/kiteprog.,即可直接进入该软件的交互界面.

Kite Modeler是一款十足的“傻瓜”软件,只需用鼠标点击按钮、选择备选项、拖动活动条即可设计出自己心仪的风筝.软件界面右上角的“Diamond kite”下拉条内共有“Delta kite”、“Box kite”等7种款式的风筝选项供设计者选用（图13）.界面的左半部分视窗用于显示风筝的近距离俯视图、侧视图及远场放飞侧视图,可通过视窗上方的“Front”、“Side”和“Field”按键切换.

软件界面的右半部分用于设置或计算风筝的参数.用鼠标依次点击“Design”和“Shape”后,拖动软件界面右上方的四个水平滑动条,就可以调整风筝的长、宽、高等尺寸.点击“Material”按键,软件会提示选择风筝蒙皮、骨架、收放线、尾巴的材质.其中蒙皮的材质选项有塑料、棉纸、丝绸等；骨架的材质选项有1/8英寸方形截面轻木杆、松木、塑料管等；尾巴的材质选项有塑料、尼龙等；收放线则有尼龙和棉线两种材质可选.而点击“Trim”按键后,可设置风筝的缰绳、俯仰角以及缰绳与收放线连接点的位置等.此处需要说明两点：

（1）对于任何一款风筝,Kite Modeler软件内部都自带了一套“默认”的构型/材料方案,该方案实际上已经过“优化”,供设计者参考.

（2）如果用户调整参数后使风筝缰绳过长或过短,或使缰绳与收放线的连接点过于靠前或靠后,软件都会实时提示用户出现错误：“Unstable design or trim”（不稳定的设计或缰绳/收放线连接）.

设置好风筝的几何参数、材质及缰绳等参数后,点击“Fly”按键,再设置风速、收放线长度,软件会自动计算、并显示出风筝的飞行参数（升力、阻力、重量、蒙皮压力、俯仰力矩、迎角、飞行高度、放飞水平距离以及收放线张力等）.

非常有趣的是,Kite Modeler软件除了可以设计地球表面放飞的风筝外,还别出心裁地根据火星大气的密度等信息,添加了火星表面风筝设计模块.

（未完待续）

致谢：本文受同济大学实验教学改革项目及上海市本科重点课程项目支持,在此感谢.