一架SAE航空设计大赛参赛机的设计与制作.docx

一架SAE航空设计大赛参赛机的设计与制作 打开文本图片集 国际航空设计大赛（SAE Aero Design Competition）是美国自动化工程师协会面对全球高校生举办的航空设计竞赛，迄今已有26个年头它以实际的航空工程问题为背景，设计、制作并试飞模型飞机，具有较强的实践性北航代表队参与了2022年的竞赛，并获得高级组冠军取得如此优异的成果，不但要有良好的团队合作精神、娴熟的航模操纵技术，还要有一架性能优异的参赛机下面笔者就将参赛机的具体状况介绍给大家 飞行规则简介 高级组竞赛规定，参赛模型飞机搭载肯定的重物滑跑起飞，完成至少一个闭合的航线后平安着陆所载重物越重、起降滑跑距离越短者，得到的飞行分数越高 飞前打算时间为5分钟，所选模型须是61级及以下的油动固定翼模型飞机，不限翼展，但起飞重量（模型与载重物之和）不得大于24.9kg这一规则较好玩，各队需依据自身状况，合理安排空机重量与载重物的比值：若机体设计得过重，虽结构强度大，但可载重物量少，有效分数低；若机体设计得过轻，虽可增加载重物，但往往结构强度不够只有合理安排空机自重与载重物的比例，并且使模型飞机的强度与所载重量相匹配，才能获得更高分数。

设计制作参赛机 1.提出设计目标 由于飞行分数受载重量和起降距离的影响最大，因此设计小组制定了如下设计目标： 重量：起飞重量限制在24.9kg内依据以往阅历，空机设计重约5kg时，机身强度可承载约20 kg的重物 起降距离：模型要有合理的动力系统和高效的增升装置，以缩短起飞距离；还需设计一套刹车系统，削减模型的着陆距离起降距离总和须小于101m 起降测距系统：组委会规定参赛者须自行设计一套模型起降测距系统(Data Acquisition System，简称DAS)，且该系统测量4.88m距离误差不超过2.5cm，测试精度纳入考核 动力系统：考虑到重量与推力的关系，发动机既要推力够大又不能太重，且至少可连续稳定工作10分钟 拆解组装：模型可便利地拆分为几部分，以便利制作和运输，并且能快速便利地组装 2.确定气动布局 为确保参赛机的高牢靠性，没有采纳鸭式、飞翼等气动性能高但较难限制的布局形式，而是采纳常规布局，以稳中求胜 考虑到模型大展弦比的特点，且要求运输便利，机翼被分为3段，有3种常规布局可选（图1）： 第一种方案最常见，由一个机身连接机翼和尾翼，发动机以串联方式安装在上部。

优点是受力合理、制作简洁缺点是机翼需着重加强，以承受起落架的冲击力；发动机架要垫高，才能运用大桨径螺旋桨，模型受力困难 其次种方案布局与美国F-82战斗机相像，采纳2个前后贯穿的机身其优点是主起落架、载重舱和发动机可集中安装在机身上，能减轻结构重量；停机角更大，可便利运用大桨径螺旋桨缺点是2个载重舱分别装在机身上，整机转动惯量过大，滚转操纵性能下降；后三点式起落架滑跑稳定性差，且重载着陆对平尾的强度要求较高 第三种方案是前两种方案的结合其优点是发动机、燃油和载重舱集中在机身的中、前端，不但可减轻结构重量，而且也能减小转动惯量；前后串联安装发动机可相互抵消反扭矩缺点是机身和机翼连接处的制作难度更大（图2、图3） 综合考虑了三种方案后，依据以往阅历和技术，设计小组最终选择了第三种方案（图4） 3.设计制作机体 模型在起降及飞行过程中始终带载，要求其强度必需足够大（图5、图6）因而制作时材料以层板和桐木片构架为主（图7、图8），关键部位用复合材料加强（图9） 机翼为全机供应升力，对飞行品质的影响很大机翼整体采纳单梁式结构，左、右翼通过金属接头与中段连接（图10）设计展弦比约为12，以兼顾诱导阻力和结构重量；根梢比尽可能接近2.5，以使升力接近椭圆分布。

机翼选用低雷诺数层流翼型，其弯度和厚度分别约在5%～7%和11%～14%这样的翼型升阻比高、失速特性好、结构效率高 经过反复计算，最终得到全机的布置参数（表1） 4.选择动力组 动力组由2个发动机串联组成，采纳前拉后推的形式安装（图11）发动机轴与螺旋桨间通过齿轮减速，进一步提升拉力在选择、安装动力组过程中，遵循了2个原则：一是尽量运用成熟的成品零部件，尤其是齿轮、主轴支架等机械加工精度要高，以削减因加工精度不足带来的麻烦；其次；适当加大减速比，使发动机能够安装桨径更大的螺旋桨这是因为，当桨叶雷诺数肯定时，桨径较大的螺旋桨有更高的推动效率 在经过细致的市场调查后，选择了21级OS航海模型发动机（图12），其最高转速为每分钟33000转发动机选好后，接下来选择合适的减速器（图13）考虑到桨尖线速度过大时会发生颤振，导致发动机功率急剧下降，因此初步将桨尖的最大线速度定为0.5倍声速，即173m／s，再依据计算便可初步确定减速比的大致范围 由于之前制作减速器时，自制的减速齿轮因机械加工工艺不过关而折断，因此在此次竞赛中，确定选用成熟的成品齿轮及其他配件查找多方资料后，选择了车模上用的钢齿轮，主动轮与从动轮的减速比约4.76，较符合要求。

主动齿通过自制的内衬垫块装在发动机曲轴上，从动齿通过法兰盘将减速器主轴与螺旋桨相接 确定了发动机及减速器后，起先选择螺旋桨先后试验了17×8、20×10、21×10等各型螺旋桨（图14）在试车台上，20×10的螺旋桨最高转速达到了每分钟5569转，从理论计算到实际都较精彩，因此最终确定前发动机运用该螺旋桨 由于模型飞机采纳前拉后推的动力形式，后发动机始终位于前发动机螺旋桨的滑流中，因此理论上应配备更大桨距的螺旋桨才能产生更高的效率为此选择了规格为20×12的螺旋桨，试验时转速达到每分钟5600转 此外，发动机架支撑侧板采纳了碳纤维板，较之其他材料，有3个显著的优点：（1）在同等力学性能、强度和刚度的前提下，其重量较轻；（2）韧性好，有利于减震；（3）强度特别高 5.DAS起降测距装置 这套DAS测距系统具有显明的创新性特点：在主起落架后方安装副轮（图15），其上有匀称分布的孔隙，当副轮与主机轮一同转动时，光电开关可感应孔隙数量，最终通过单片机（图16）计算出滑跑起降距离（具体内容请关注2022年第9期本刊 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页。