摘要
本文介紹了遙控電動飛機(jī)“Happy Boy”的設(shè)計、工作原理及其改進(jìn)的全過程。文中首先對小型電動無人飛機(jī)原理進(jìn)行了深入分析，掌握設(shè)計方法后，在原機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，主要改進(jìn)措施包括：更換飛機(jī)動力系統(tǒng)以及增加轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。動力系統(tǒng)的更換主要表現(xiàn)在使用無刷電機(jī)代替原有的３７０有刷電機(jī)，因?yàn)闊o刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是功率大，功耗低，使用壽命長，由于取消了碳刷，所以產(chǎn)熱量小。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的改進(jìn)是將后三點(diǎn)式起落架改為前三點(diǎn)，并使前輪可以轉(zhuǎn)向，原機(jī)起落架采用后三點(diǎn)固定式起落架，飛機(jī)在滑行過程中無法轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由曲柄搖桿來實(shí)現(xiàn)，并且使用ＵＧ軟件進(jìn)行實(shí)體造型設(shè)計。
關(guān)鍵詞：飛機(jī)設(shè)計；電動飛機(jī)；改進(jìn)；ＵＧ
Abstract
In this paper, electric remote control aircraft "Happy Boy" design, and improvement of the working principle of the whole process. First, on the principle of small electric unmanned aircraft had an in-depth analysis, grasp the design method, in the same plane on the basis of improvements, major improvements include: replacement of the aircraft and to increase the power steering system.The replacement of major power system performance in the use of brushless motor instead of the original 370 motor with brushes, because the advantages of brushless motor power, and low power consumption, long service life, due to the abolition of the carbon, so the small heat production.Improved steering mechanism is to be changed after the three-point before the three-point landing gear and front wheel can be shifted, the same plane after the landing gear using three fixed landing gear, aircraft taxiing process can not be turned by the crank steering shake rod to achieve, and the use of UG software simulated the effect of the dynamic. Keywords: aircraft design to improve the electric unmanned aircraft UG.
Keywords: plane design；electric plane；mend；UG
目錄
摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ
Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅱ
1 緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1
2 構(gòu)型設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3
2.1 機(jī)翼．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2.1.1 機(jī)翼形狀選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2.1.2 機(jī)翼安裝位置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4
2.1.3 機(jī)翼增升裝置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.2 尾翼．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.2.1 平尾．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5
2.2.2 垂直尾翼．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.3 發(fā)動機(jī)位置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6
2.4 起落架形式．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.4.1 前三點(diǎn)式起落架．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.4.2 后續(xù)三點(diǎn)式起落架．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7
2.5 構(gòu)型方案的選擇．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8
3 主要參數(shù)的估算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9
4 推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計與計算分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
4.1 推進(jìn)系統(tǒng)性能計算和分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
4.1.1 動力電池的特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10
4.1.2 馬達(dá)特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11
4.1.3 螺旋槳特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
4.1.4 減速器特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12
4.1.5 調(diào)速器特性分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13
5 各部件的初步設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5.1 機(jī)身外形設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5.1.1 機(jī)身的主要幾何參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5.1.2 機(jī)身幾何參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15
5.1.3 機(jī)身外形的初步設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
5.2 機(jī)翼外形初步設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
5.3 尾翼外形初步設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16
5.4 起落架位置的確定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17
5.5 操縱系統(tǒng)的初步設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18
6 總體布置．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19
7 結(jié)構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
7.1 機(jī)身外形設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
7.1.1 電動機(jī)與機(jī)身的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20
7.1.2 機(jī)翼與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21
7.1.3 尾翼與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22
8 航模飛機(jī)的改進(jìn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
8.1 動力系統(tǒng)的改進(jìn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
8.1.1 基本結(jié)構(gòu)及工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23
8.1.2 常用鐵氧體電機(jī)的品種規(guī)格及選用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24
8.1.3 改進(jìn)措施．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
8.1.3.1 無刷式直流電機(jī)的應(yīng)用與原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．25
8.1.3.2 無刷式直流電機(jī)的特性．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．26
8.1.3.3 動力電源．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．27
8.2 起落架的改進(jìn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
8.2.1 主起落架與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．28
8.2.2 前起落架與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．29
8.2.2.1 機(jī)構(gòu)自由度計算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
8.2.2.2 機(jī)構(gòu)的控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．31
9 飛機(jī)重心確定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
9.1 重心變化的若干因素．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．30
9.1.1 水平安定面對重心的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
9.1.2 翼型對重心的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．32
9.1.3 攻角的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33
9.2 重心的確定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．33
10 遙控設(shè)備．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34
10.1 遙控原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．34
10.2 遙控設(shè)備在飛機(jī)上的應(yīng)用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．35
11 結(jié)論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．36
參考文獻(xiàn)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．37
致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．38
- 37 -
1 緒論
飛機(jī)設(shè)計是綜合運(yùn)用氣動、飛行力學(xué)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、發(fā)動機(jī)原理、電子、控制、材料、制造工藝等多門學(xué)科和專業(yè)的知識，創(chuàng)造性地構(gòu)思出能滿足某種飛行任務(wù)要求的飛行器的工作過程。
目前在我國，了解航模飛機(jī)的人并不多，由于觀念和現(xiàn)實(shí)條件的因素，國內(nèi)的航模普及率遠(yuǎn)不及歐美等發(fā)達(dá)國家。每年我國舉辦的大型航模比賽，參賽院校大多是國內(nèi)頂尖學(xué)府或者相關(guān)專業(yè)機(jī)構(gòu)，一般團(tuán)體和個人很難涉足，這也給航模的普及帶來了不便。作為一名機(jī)械設(shè)計專業(yè)學(xué)生，同時也是一名航模愛好者，借此機(jī)會用所學(xué)的相關(guān)理論知識，對航模飛機(jī)的飛行原理，設(shè)計方法進(jìn)行深入的分析，結(jié)合現(xiàn)有的資料對其改進(jìn)。
航模并不是單純的娛樂，有他延伸出的無人機(jī)早已在各個領(lǐng)域發(fā)揮出重大作用。自從美國在越戰(zhàn)中首次使用“火蜂”無人機(jī)進(jìn)行軍事偵察以來的幾十年中，世界各國對無人機(jī)的研究就沒有中斷過，特別是最近十幾年，隨著各項(xiàng)相關(guān)科技的發(fā)展，無人機(jī)設(shè)計、維護(hù)、訓(xùn)練成本低廉，機(jī)動靈活，隱蔽性好，不懼傷亡，生命力強(qiáng)，起降簡單，操縱靈活等優(yōu)點(diǎn)逐步顯示出來，成為飛機(jī)發(fā)展的一個重要趨勢。實(shí)踐證明，無人機(jī)在軍用和民用方面都有著廣泛的用途。軍事方面，無人機(jī)攜帶不同的戰(zhàn)斗裝備，可用于執(zhí)行戰(zhàn)場偵察、監(jiān)視、電子干擾、戰(zhàn)斗評估、雷達(dá)誘騙、目標(biāo)指示、精確打擊、定點(diǎn)轟炸、縱深攻擊、反裝甲、反輻射、反艦艇，甚至攔截戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈等多種作戰(zhàn)任務(wù)。在海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭以及曠日持久的反恐戰(zhàn)爭中，無人機(jī)都大顯身手，屢出風(fēng)頭。無人機(jī)的民用價值也很高，它可以廣泛用于邊境監(jiān)視、地面和海洋運(yùn)輸監(jiān)督、森林火情偵察和森林采伐的巡察、氣象監(jiān)測、人工降雨、大地測量、海岸巡邏、水災(zāi)監(jiān)視、交通管理、地球資源勘探、高壓線路故障巡視監(jiān)測、場區(qū)監(jiān)控、城市環(huán)境監(jiān)測等十多個民用領(lǐng)域，市場前景十分廣闊。限制無人機(jī)在民用領(lǐng)域應(yīng)用的主要因素不在于飛機(jī)本身，而在于相關(guān)領(lǐng)域的配套研發(fā)工作嚴(yán)重滯后，無法滿足該領(lǐng)域內(nèi)的任務(wù)要求，使無人機(jī)處于“有槍無彈”的尷尬境地。隨著配套研發(fā)工作的逐步進(jìn)行，這一現(xiàn)象有望在未來幾年得到改變。
相對于以往的油動發(fā)動機(jī)，以各種電池作為能源，電動機(jī)作為動力系統(tǒng)，更加的安靜、清潔、環(huán)保、無毒害，使電動無人機(jī)成為一種新的發(fā)展趨勢。然而，在輸出功率相同的情況下，電動動力系統(tǒng)要比油動動力系統(tǒng)重的多，為達(dá)到相同的設(shè)計性能，將對飛機(jī)的制造工藝提出更高的要求，這在很大程度上限制了電動無人機(jī)的發(fā)展。美國在電動無人機(jī)的發(fā)展上走的比較靠前。由 Cessna 公司和美國海軍研究局資助，美國航空航天學(xué)會主辦的大學(xué)生設(shè)計/制作/試飛競賽已經(jīng)連續(xù)成功舉辦了幾屆。競賽通過專家、評委對設(shè)計報告和飛行過程的綜合打分，確定各參賽隊(duì)的成績，對于進(jìn)入前三名的隊(duì)伍分別給予 2500、1500 和 1000 美元的現(xiàn)金獎勵。這項(xiàng)競賽吸引了全美幾十所大學(xué)航空相關(guān)專業(yè)的學(xué)生組隊(duì)參加，通過親自參與小型電動無人機(jī)的設(shè)計、制作與試飛的全過程，使他們有機(jī)會將大學(xué)中所學(xué)知識綜合運(yùn)用，在實(shí)踐中得到鍛煉，并極大的促進(jìn)了電動無人機(jī)事業(yè)的發(fā)展。近兩年來，加拿大、意大利、土耳其的幾所大學(xué)也開始組隊(duì)參賽，并取得了不錯的成績，競賽主辦者還向日本、英國、德國、法國等國家的大學(xué)發(fā)出了邀請，意圖使這項(xiàng)賽事向國際化方向發(fā)展，在全世界范圍內(nèi)促進(jìn)電動無人機(jī)事業(yè)的發(fā)展。
2 構(gòu)型設(shè)計
飛機(jī)設(shè)計工作的基本思想是：在滿足所提出的各種設(shè)計要求的前提下，使飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和制作工藝盡量簡單，重量盡量輕，成本盡可能低。Happy Boy原機(jī)采用的是正常氣動布局，其參考數(shù)據(jù)豐富，可供運(yùn)用的理論也比較成熟
從氣動方面考慮，采用圓形或橢圓形截面機(jī)身較為有利，但估計廠家是為了節(jié)約成本，使用較為容易制作的矩形截面機(jī)身。
飛機(jī)的有以下幾種布局方案：
1、正常式氣動構(gòu)型，拉進(jìn)式，上單翼，正常式尾翼下平尾，前三點(diǎn)式起落架。
2、正常式氣動構(gòu)型，拉進(jìn)式，上單翼，T 型尾翼，前三點(diǎn)式起落架。
3、正常式氣動構(gòu)型，拉進(jìn)式，下單翼，正常式尾翼上平尾，前三點(diǎn)式起落架。
4、正常式氣動構(gòu)型，拉進(jìn)式，下單翼，T 型尾翼，前三點(diǎn)式起落架。
5、正常式（半機(jī)身）氣動構(gòu)型，推進(jìn)式，上單翼，雙尾撐式平尾，雙垂尾，前三點(diǎn)式起落架。
各附簡圖如圖 2-1 所示
圖 2-1 備選布局方案簡圖
方案1簡圖 方案2簡圖
方案3簡圖 方案4簡圖
方案5簡圖
2.1 機(jī)翼
2.1.1 機(jī)翼形狀選擇
低速飛機(jī)機(jī)翼一般為直機(jī)翼，因其低速氣動特性良好，誘導(dǎo)阻力小，升阻比大。直機(jī)翼的平面形狀一般有矩形和梯形兩種。
從氣動方面看，矩形翼翼根先失速，具有內(nèi)在的失速安全特性，且整個機(jī)翼的載荷分布也較為理想。而梯形翼具有柔和的翼尖失速特性，當(dāng)根梢比選擇的合適時（近似橢圓形機(jī)翼），整個機(jī)翼的載荷分布也較為適中。
但從制作與裝配角度考慮，梯形翼需要制作很多對不同的翼肋，以我們目前的制作水平，難以保證制作精度，裝配時精確定位也比較困難，而矩形機(jī)翼的制作工藝則相對簡單很多，因此出于對設(shè)計和制作成本方面的考慮，廠家采用的是矩形翼。
2.1.2 機(jī)翼安裝位置
機(jī)翼在機(jī)身上的安裝位置通常有三種：上單翼、中單翼和下單翼。這三種形式，各有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。
（1） 上單翼
優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性好，上反角較小，機(jī)翼氣動效率較高
對機(jī)身內(nèi)部空間影響較小，有利于機(jī)身內(nèi)部裝載的布置
翼身氣動干擾阻力比下單翼要小
與機(jī)身連接比中單翼簡單
機(jī)身與翼盒結(jié)構(gòu)可互相補(bǔ)償，減輕機(jī)身結(jié)構(gòu)重量
缺點(diǎn)：起落架如裝于機(jī)翼上，則高度過大，對起落架剛度要求較高
若采用上單翼前三點(diǎn)式，重量優(yōu)勢不及下單翼和后三點(diǎn)式配合
非正常著陸時，不能對機(jī)身提供保護(hù)作用
（2） 中單翼
優(yōu)點(diǎn)： 翼身氣動干擾阻力小
缺點(diǎn)：與機(jī)身連接困難，對機(jī)身內(nèi)部空間影響較大，不利于機(jī)身內(nèi)部裝載的布置
（3）下單翼
優(yōu)點(diǎn)：非正常著陸時，機(jī)翼對機(jī)身起保護(hù)作用
機(jī)身與翼盒結(jié)構(gòu)可互相補(bǔ)償，減輕機(jī)身結(jié)構(gòu)重量
對機(jī)身內(nèi)部空間影響較小，有利于機(jī)身內(nèi)部裝載的布置
起落架裝于機(jī)翼上時，高度較小，對剛度要求較低，且起落架重量較輕
缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差，需要較大的上反角，降低機(jī)翼氣動效率
翼身氣動干擾阻力較大
“Happy Boy”的性能要求類似于初級教練機(jī)，穩(wěn)定性好是追求的主要目標(biāo)之一，因此，綜合比較后，采用上單翼。
2.1.3 機(jī)翼增升裝置
采用增升裝置，主要目的是增加翼型相對彎度，并對邊界層進(jìn)行控制，延緩翼面上的氣流分離，以改善飛機(jī)的起飛著陸性能。常用的增升裝置是各種形式的后緣襟翼，市場上常見的帶有增升裝置的航模飛機(jī)，大多采用簡單襟翼與副翼相結(jié)合的增升裝置形式——襟副翼，這類飛機(jī)多用于國際上的F3A比賽，或花式機(jī)比賽。由于“Happy Boy”主要是用于初級者的學(xué)習(xí)，不需要做大的空中機(jī)動飛行，所以沒有采用機(jī)翼增升裝置。其形式如圖2-2：
圖 2-2 機(jī)翼增升裝裝置
2.2 尾翼
2.2.1 平尾
平尾有全動平尾和由安定面與升降舵組成的正常式平尾兩種形式。前者操縱效率較高，具有氣動學(xué)上的優(yōu)點(diǎn)，但平尾與機(jī)身之間的縫隙難以密封，存在氣流的上下泄露。因此采用正常式平尾。根據(jù)平尾在機(jī)身上的安裝位置，正常式平尾可分為：上平尾、中平尾、下平尾和“T”形平尾。選擇平尾高低位置主要遵循下列原則：
（1）避開機(jī)翼尾渦流的不利干擾
（2）避開螺旋槳尾流的干擾
（3）有利于結(jié)構(gòu)布置
由于前面已選定上單翼形式，根據(jù)上述原則，只能選擇下平尾或“T”形平尾。下平尾
與機(jī)身對接容易，可充分利用機(jī)身的強(qiáng)度，但與機(jī)身之間的氣動干擾阻力較大。采用“T”型平尾方向舵效率高于其它形式，可減小垂尾面積，且機(jī)身與尾翼之間的干擾阻力較小，可提高尾翼效率。但大迎角時有深失速的危險，并且對簡單的木制結(jié)構(gòu)而言，平尾與垂尾對接不容易，應(yīng)予以格外加強(qiáng)，可能導(dǎo)致重量的增加。
綜合考慮，Happy Boy 的設(shè)計采用的是上單翼與下平尾搭配的形式。這種布局使航模制作更加簡便，這更有利于初學(xué)者對飛機(jī)進(jìn)行組裝，并且使尾翼的強(qiáng)度有所增加。
2.2.2 垂直尾翼
正常式布局的垂尾一般有單垂尾與雙垂尾兩種形式。當(dāng)尾容量相同時，雙垂尾與單垂尾相比，其壓力中心高度顯著降低，可減小由側(cè)力造成的對機(jī)身的扭矩。但兩個垂尾間距太小時，會有顯著的氣動干擾，因此，必須將垂尾布置在平尾的兩端，而這又使方向舵的操縱變得復(fù)雜，可能在操縱系統(tǒng)上付出較大的代價。并且，雙垂尾的面積大于單垂尾，所付出的阻力上的代價可能會抵消它給機(jī)身帶來的好處。因此，Happy Boy采用單垂尾。
尾翼布局簡圖如下：
圖 2-3 尾翼布局簡圖
2.3 發(fā)動機(jī)位置
低速飛機(jī)一般采用發(fā)動機(jī)帶動螺旋槳作為動力，根據(jù)螺旋槳的安裝位置，可分為推進(jìn)式與拉進(jìn)式兩種。
拉進(jìn)式動力配置方式效率高于推進(jìn)式，而且有利于馬達(dá)散熱，可降低大電流工作時對電機(jī)性能的損傷，延長電機(jī)的壽命，但在起飛和降落時打斷螺旋槳的概率大于推進(jìn)式。布局形式如圖2-1中方案1，2，3，4所示。
推進(jìn)式動力配置方式大多采用雙尾支撐結(jié)構(gòu)，中間留出螺旋槳的位置，可以有效保護(hù)螺旋槳，且不需要后機(jī)身，使結(jié)構(gòu)得到簡化，構(gòu)型也很美觀。但因受機(jī)身影響，效率低于拉進(jìn)式，而且不利于電機(jī)散熱。同時動力裝置靠后，使重心位置后移，需在前機(jī)身配置載重或重物，以滿足穩(wěn)定性要求。布局形式如圖2-1中方案5所示。
因?yàn)閭鹘y(tǒng)機(jī)型大多采用拉進(jìn)式，并且拉進(jìn)式在制作工藝上相對簡單，所以Happy Boy采用拉進(jìn)式。
2.4 起落架形式
適合航模飛機(jī)的起落架形式主要有前三點(diǎn)與后三點(diǎn)兩種，二者各有優(yōu)缺點(diǎn)。
2.4.1 前三點(diǎn)式起落架：
優(yōu)點(diǎn)：起飛降落過程中航向穩(wěn)定性好
降落時不容易拉飄
著陸速度比后三點(diǎn)高
對遙控技術(shù)要求低，易入門
缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)重量較大
槳尖距地面較近，滑跑時易被地面雜物打傷
2.4.2 后三點(diǎn)式起落架：
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)重量較輕
槳尖距地面較高，滑跑時被地面雜物打傷的概率較小
缺點(diǎn)：起飛降落過程中航向穩(wěn)定性差
降落時容易拉飄
降落時易倒立，損壞推進(jìn)系統(tǒng)和飛機(jī)結(jié)構(gòu)
對遙控技術(shù)要求高
比較二者的優(yōu)缺點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)前三點(diǎn)式起落架更有利于初學(xué)者掌握航模飛機(jī)的操縱技巧， Happy Boy屬于簡易航模，自身重量小，原廠設(shè)計的是后三點(diǎn)式起落架。所以我的改進(jìn)內(nèi)容就包括起落架的改裝，增加起落架的轉(zhuǎn)向裝置，詳細(xì)敘述見8.2。
2.5 構(gòu)型方案的選擇
綜合比較各種結(jié)構(gòu)及方案的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合我們自身的理論知識和制作水平以及工作室所具備的加工條件，我最終為“Happy Boy”號選擇了第 1 種方案，即：正常式氣動構(gòu)型，拉進(jìn)式，上單翼，正常式尾翼下平尾，前三點(diǎn)式起落架。
3 主要參數(shù)的估算
飛機(jī)的設(shè)計很復(fù)雜，參數(shù)眾多，一般非專業(yè)人員很難掌握，由于本人所掌握的知識有限，因此這里只對飛機(jī)參數(shù)的選擇與計算過程進(jìn)行簡單介紹。Happy Boy 的設(shè)計參數(shù)廠家已經(jīng)給出，不需要計算。
飛機(jī)的設(shè)計參數(shù)有很多，但對飛機(jī)的總體方案具有決定性的全局性影響的參數(shù)主要有三個，它們是：
（1）飛機(jī)的正常起飛重量 Wto（kg）
（2）動力裝置的海平面靜推力T0（10N）或靜功率P0（W）
（3）機(jī)翼面積S（m2）
這三者當(dāng)中只要有一個改變，就會引起全機(jī)總體方案的大改動。通常將上述三個參數(shù)進(jìn)行組合，得到兩個相對參數(shù)：
（1）起飛機(jī)翼載荷 Wto/S (kg/m2)
（2）起飛推重比 T0/Wto（10N/kg）或 起飛功率重量比P0/ Wto (W/kg)
在選擇飛機(jī)參數(shù)時，應(yīng)先根據(jù)飛機(jī)設(shè)計要求中所給定的飛行性能指標(biāo)和典型飛行任務(wù)，初步選定翼載荷、推重比（或功重比）及起飛重量的初值，然后才能進(jìn)一步確定其它參數(shù)。
根據(jù)設(shè)計要求，Happy Boy的設(shè)計目標(biāo)是初級教練機(jī)，主要設(shè)計指標(biāo)為穩(wěn)定性好與航時盡量長。
參考AIAA網(wǎng)上數(shù)據(jù)庫和《航空模型》上其它飛機(jī)的數(shù)據(jù)，一般電動飛機(jī)的翼載荷為 4. 2 kg/m2。
參考《航空模型》上的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，電動模型每磅重量應(yīng)有 50～60 瓦的功率，約合 110~130W/kg，暫取最大功率重量比為 120 w/kg。
廠家給出的飛機(jī)性能參數(shù)如下：
表 3-1 Happy Boy 性能參數(shù)
Happy Boy 性能參數(shù)
翼展
全長
主翼面積
全備重量
翼載荷
840mm
780mm
19 d
450g
25g/ d
由表3-1可推算出：Wto / S = 25
Wto= S × 25 = 19 × 25 = 475 g
4 推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計與計算分析
電動飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)有四個主要的組成部分：動力電池組、調(diào)速器、馬達(dá)和減速器、螺旋槳。其中采用直接驅(qū)動方式的推進(jìn)系統(tǒng)不含減速器。動力電池是整個推進(jìn)系統(tǒng)的能源，它同時為馬達(dá)和無線電接收系統(tǒng)供電，保證推進(jìn)系統(tǒng)和無線電接收、控制系統(tǒng)的正常工作。調(diào)速器是輸出功率的調(diào)節(jié)器，它接受接收機(jī)的油門通道信號，輸出與油門桿位置相對應(yīng)的馬達(dá)驅(qū)動電壓，達(dá)到控制輸出功率的目的。馬達(dá)是推進(jìn)系統(tǒng)的執(zhí)行部分，它在驅(qū)動電壓下工作，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，最終帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生所需的拉力。減速器用以協(xié)調(diào)馬達(dá)和螺旋槳間高效率時的轉(zhuǎn)速。推進(jìn)系統(tǒng)的連接框圖如圖4-1 所示，原廠配備的電動機(jī)和電子調(diào)速器實(shí)物如圖 4-2 所示。
圖 4-1 推進(jìn)系統(tǒng)原理圖
圖 4-2 推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)物
4.1 推進(jìn)系統(tǒng)特性計算和分析
4.1.1 動力電池的特性分析
目前可以用來作為模型動力電源的電池種類主要為以下幾種：鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池。用于衡量電池優(yōu)劣的指標(biāo)主要是：能量比和功率比。能量比即電池的容量與重量之比，通常用 mAh/g 表示，其值越高說明同樣容量下，電池的重量越輕。功率比通常用電池的放電倍率來表示，就是指電池的最大連續(xù)放電電流與電池容量 C 的比值。通常在容量C 前加一個數(shù)字表示。例如某種 1800 毫安時電池的放電倍率是 10C，即表示此種電池的最大連續(xù)放電電流為18安培。此外，對動力電池的要求還有耐過充電與過放電能力，以及能否適應(yīng)急充電的能力。把三種類型的電池作一下比較，由表 4-1 中可以發(fā)現(xiàn)鋰離子電池的能量比最高，因?yàn)樗膯误w電壓為 3.7 V，鎳鎘電池最低。鎳鎘電池的放電倍率最高，鋰離子電池最低。考慮到現(xiàn)實(shí)情況要求，采用并聯(lián)的鋰聚合物電池組，它滿足最大電流要求時重量比鎳鎘稍微重了一點(diǎn)，但卻能夠極大地增加航時。
隨著近幾年來電子科技的發(fā)展，鋰離子電池已經(jīng)逐漸普及，價格也有所下降，特別是它重量輕大容量和無記憶效應(yīng)的特點(diǎn)，在現(xiàn)實(shí)生活中使用的越來越頻繁。Happy Boy 本身翼展小，重量輕，不適合使用重量和體積過大的電池，所以鋰離子電池是它的首選，并且近些年鋰電池的普及也是航模運(yùn)動發(fā)展的方向。
表 4-1 電池參數(shù)比較
電池類型
單體電壓
mAh/g
放電倍率
價格
備注
鎳鎘電池
1.2V
34
15C~20C
一般
充、放容易，耐過充、放電，有記憶效應(yīng)。自放電。
鎳氫電池
1.2V
68
10C~12C
一般
充、放容易，耐過充、放電，無
記憶效應(yīng)。自放電。
鋰離子電池
3.7V
39
5C~6C
昂貴
需用專用充電器，不可過充、放
電，無記憶效應(yīng)，自放電極少
4.1.2 馬達(dá)特性分析
在Happy Boy電動飛機(jī)設(shè)計方案中采用的是永磁體的直流有刷電機(jī)。對于直流有刷電機(jī)而言，體現(xiàn)其性能的參數(shù)主要為：電樞電阻Ra，轉(zhuǎn)速特性系數(shù)Kv，力矩特性系數(shù)Kt，空載電流i0；。馬達(dá)轉(zhuǎn)動時它符合以下幾個方程：
Ea=Kv×n （4-1）
工作狀態(tài)的電動機(jī)的電路示意圖如 4-3 所示。考慮電池組內(nèi)阻，電動機(jī)工作時整個系統(tǒng)的方程為
Vb= Ea+ ia×（Ra+ Rb） （4-2）
Q =Ta=Kt×（ia－i0） （4-3）
ηm= Q×2 nπ/[60（Ea+ ia×Ra）×ia] （4-4）
其中：Vb 為總電壓（非電池組兩端電壓）
Rb 電池組的內(nèi)阻
Q 電動機(jī)負(fù)載
ηm 電動機(jī)效率
圖 4-3 馬達(dá)工作電路圖
Happy Boy 配備的是370電動機(jī)：適用電壓 U = 6 - 8.4 V （取標(biāo)準(zhǔn)值7.4V）
工作電流 I = 8 A
由此可推算出電動機(jī)功率：P = U × I = 7.4 × 8 = 59.2 W
在一定的電壓下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的增加而線性減小，電流隨著負(fù)載的增加而線性增加，其效率首先是曲線增加，達(dá)到最大值后曲線降低。若負(fù)載為零，則此時電流即為空載電流。應(yīng)該注意的是，電機(jī)最高效率時的負(fù)載要比輸出功率最大時的負(fù)載小，此時的轉(zhuǎn)速也相當(dāng)高，直接驅(qū)動大的螺旋槳將會因過載而損壞電機(jī)，但是，一個大直徑低轉(zhuǎn)速的螺旋槳將卻是高效率的，因此兩者之間需要一個減速器來協(xié)調(diào)。
4.1.3 螺旋槳特性分析
螺旋槳就是一個旋轉(zhuǎn)的翼面，流過槳葉的流場由兩部分組成：一個是飛機(jī)前飛引起的流場，另一個是槳葉旋轉(zhuǎn)引起的流場。這兩個流場的疊加就是氣流相對于槳葉的實(shí)際有效速度和迎角。根據(jù)槳葉翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)可以確定作用在槳葉上的升力和阻力，進(jìn)而得到螺旋槳的推力和扭矩。螺旋槳的制造商一般只給出了直徑和螺距，而真正能表達(dá)螺旋槳特性的參數(shù)是：推力系數(shù)CT，扭矩系數(shù)CQ，功率系數(shù)CP，螺旋槳效率ηP。這些參數(shù)都和螺旋槳的進(jìn)距比J有關(guān)。模型器材中原廠配備的是1047槳，這種槳價格便宜，不易損壞，廣泛的使用在初級模型器材中。
4.1.4 減速器特性分析
在整個推進(jìn)系統(tǒng)中，減速器只有效率影響整個推進(jìn)系統(tǒng)的特性。減速器的效率只和其制造精度、磨損程度有關(guān)，而和其轉(zhuǎn)速沒有太大的關(guān)系，因此應(yīng)該注意對減速器的潤滑保養(yǎng)。使用中應(yīng)特別注意避免因?yàn)榕鲎捕斐奢S的彎曲和齒輪的損壞，這樣將造成其效率急劇下降，甚至報廢。
“Happy Boy”電動模型上采用的是和“370”馬達(dá)配套的減速比為3.3 的偏心式齒輪箱減速器見圖4-4，其迎風(fēng)面積小，結(jié)構(gòu)簡單價格便宜。這種齒輪箱可配合小動力或中等動力電機(jī)。偏心式齒輪箱最大的缺點(diǎn)是不能安裝在機(jī)頭空間較小的模型飛機(jī)上（因?yàn)槠妮S需要占據(jù)一定空間）；并且電機(jī)需要反轉(zhuǎn)（輸出軸與電機(jī)軸反向運(yùn)轉(zhuǎn)）；還會對電機(jī)軸承施加一些側(cè)壓。
圖4-4 370減速組
一般的改進(jìn)方式是采用斜齒輪，由于齒輪之間接觸面的增加，相互嚙合的輪齒間轉(zhuǎn)動會更平滑，能增加齒輪箱的負(fù)載能力和運(yùn)行平順性，同時可以將電機(jī)軸的鋼制齒輪換成黃銅齒輪，使運(yùn)行更加平滑降低噪音。借鑒國外的經(jīng)驗(yàn)，減速器的效率ηg=0.90。
4.1.5 調(diào)速器特性分析
調(diào)速器是一個復(fù)雜的電子器件，由于是通過它向馬達(dá)供電，在飛行狀態(tài)中，馬達(dá)的工作電流約在5安培，起飛狀態(tài)的工作電流可能會達(dá)到 15 安培。因此調(diào)速器的內(nèi)阻成了一個非常重要的參數(shù)，我們希望其電阻盡可能地小，這樣調(diào)速器所耗的電能將會減小，其工作時產(chǎn)生的熱量也小，有助于延長調(diào)速器的壽命。非常遺憾的是，制造商并沒有提供其內(nèi)阻，計算中我們只好假設(shè)其內(nèi)阻為零，這可能使可用功率的計算比實(shí)際情況偏高。在調(diào)速器的選擇時，主要考慮以下幾個性能參數(shù)：最大工作電壓，連續(xù)工作電流，斷電電壓，重量，尺寸。BEC 性能——Battery Eliminator Circuit：利用動力電池組向無線電接收、控制系統(tǒng)供電；電池電壓過低時，停止向電機(jī)供電，保證無線電接收機(jī)和舵機(jī)的正常供電，使飛機(jī)不致失控——幾乎所有的調(diào)速器都能滿足。Happy Boy原廠配備的是由西安集成電路設(shè)計有限公司出品的Sunrp牌15A智能電子調(diào)速器，它的技術(shù)參數(shù)如下表所示。
表 4-2 5A智能電子調(diào)速器性能參數(shù)
工作電壓
7.4V～11V
連續(xù)工作電流
15A
重量
9g
BEC
5V/1A
開關(guān)頻率
3kHz
外形尺寸（mm）
21×13×5
5 各部件的初步設(shè)計
在選定飛機(jī)的主要參數(shù)之后，就可以對全機(jī)各主要部件的幾何參數(shù)進(jìn)行初步計算，現(xiàn)分述如下。
5.1機(jī)身外形設(shè)計
由于“Happy Boy”遙控電動飛機(jī)的最大設(shè)計平飛速度也不過 10m/s，屬于低速飛機(jī)之列
5.1.1 機(jī)身的主要幾何參數(shù)
飛機(jī)機(jī)身外形設(shè)計的主要幾何參數(shù)是其總長度 L身 和最大橫截面積 S身 。在選擇參數(shù)時，還經(jīng)常用到這兩個幾何參數(shù)的比值所構(gòu)成的相對參數(shù)——機(jī)身的長徑比
λ身= L身 / S身 （5-1）
式中S身對于圓形截面機(jī)身即為機(jī)身最大直徑，對于非圓形機(jī)身，則為其最大橫截當(dāng)量直徑長徑比 λ身 是機(jī)身一個很重要的幾何參數(shù)，它代表了機(jī)身幾何外形最主要的特征，對機(jī)身的氣動阻力和機(jī)身結(jié)構(gòu)等方面的特性都有直接的影響。
5.1.2 機(jī)身幾何參數(shù)
1.機(jī)身最大橫截面面積的初步確定
在機(jī)身翼盒段，布置了接收機(jī)，舵機(jī)等有效載荷，加上各種操縱的導(dǎo)線在總裝完成后也聚集于此，所以此處成為了最有可能的最大截面處，根據(jù)接收機(jī)體積，權(quán)衡有效載荷的可能形狀和體積，經(jīng)測量得出高 95 mm，寬 50 mm 的矩形截面。
根據(jù)公式： S身 = 95 × 50 = 4750
2、機(jī)身長度及機(jī)身長徑比的確定
機(jī)身長度基本上是由電動機(jī)安裝長度+電池長度+尾力臂+尾翼根弦長的總和決定的，只要在其間適當(dāng)留有余地用于隔框、起落架等結(jié)構(gòu)的設(shè)計就可以了。由飛機(jī)的技術(shù)參數(shù)可知機(jī)身總長是 L身 = 780 mm。
那么由 5-1 式可得： λ身= L身 / S身 = 780 / 4750 = 0.16
5.1.3 機(jī)身外形的初步設(shè)計
在機(jī)身外形的初步設(shè)計時，選取了四個控制截面，即機(jī)身最前端（由電動機(jī)的截面尺寸確定）翼盒段前后緣（機(jī)身的最大截面）及機(jī)身最后端（由尾翼的安裝要求確定）。為了在機(jī)身制作時加工容易，其間的過渡全部采用直線過渡，由于飛機(jī)速度不高，這樣并不會造成很大的阻力。
5.2 機(jī)翼外形初步設(shè)計
圖 5-1 機(jī)翼平面
機(jī)翼是飛機(jī)上最為重要的部件，對飛機(jī)的飛行性能影響極大，同時與機(jī)身結(jié)構(gòu)和飛機(jī)總體布局也有關(guān)系。機(jī)翼外形初步設(shè)計的主要任務(wù)是選擇合適的翼型、確定機(jī)翼平面形狀的幾何參數(shù)、確定增升裝置和副翼的幾何參經(jīng)測量機(jī)翼平面圖如圖5-2所示：
5.3 尾翼外形初步設(shè)計
尾翼的主要作用是保證全機(jī)的穩(wěn)定性與操縱性，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求中對飛機(jī)操穩(wěn)性的規(guī)定來設(shè)計。尾翼的設(shè)計參數(shù)與飛機(jī)的形式及全機(jī)氣動布局有關(guān)，但反過來，尾翼參數(shù)又會影響全機(jī)的氣動外形，因此，尾翼的參數(shù)不可能一次確定。
圖 5-2 平尾平面圖
圖 5-3 垂尾平面圖
5.4 起落架位置的確定
材料選用 3mm 的鋼絲。Happy Boy采用后三點(diǎn)式起落架，前起落架安裝在機(jī)身加強(qiáng)框上，后起落架安裝在尾部。之所以把主起落架安裝在機(jī)翼上，主要是出于減重方面的考慮。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，主輪距應(yīng)為翼展的 1/4～1/3，即太大會增加機(jī)翼的結(jié)構(gòu)重量，太小又難以滿足地面滑跑時的橫側(cè)穩(wěn)定性要求。如果主起落架裝在機(jī)身上，則因外撇角過大而導(dǎo)致剛度不足，需要在兩個起落架間拉一根鋼絲，其總重量比直接裝在機(jī)翼上還大，但由于起落架的跨度不大，所以不用加拉線。
根據(jù)要求，主輪距的范圍是：840 ×1/3 = 280 mm 至 840 ×1/4 = 210 mm
經(jīng)實(shí)際測量，Happy Boy 的主輪距是135 × 2 = 270 mm ，符合設(shè)計要求。
5.5 操縱系統(tǒng)的初步設(shè)計
操縱系統(tǒng)初步設(shè)計的主要任務(wù)是制定控制方案、選擇舵機(jī)、合理布置舵機(jī)的位置。
首先根據(jù)舵面上力的大小和舵面的重要性確定需要采用何種型號的舵機(jī)。選擇舵機(jī)時主要考慮兩個參數(shù)：體積，扭矩。舵機(jī)的尺寸愈大，它占的空間也愈大，重量也會增加，但體積小的舵機(jī)價格昂貴。舵機(jī)的扭矩愈大，它耗的電能愈大，同樣價格昂貴。綜合考慮體積控制方案擬定如下：控制方向舵和升降舵的舵機(jī)安裝于機(jī)身翼盒中，2mm 鋼絲制成的連桿操縱方向舵及升降舵上的搖臂，控制舵面的偏轉(zhuǎn)。
6 總體布置
為了減輕結(jié)構(gòu)重量，在操縱系統(tǒng)初步設(shè)計時已考慮將操縱方向舵和升降舵的兩個舵機(jī)置于翼盒后端，這使得飛機(jī)重心后移，為了使飛機(jī)重心位置在一個合適的范圍內(nèi)變化，將重量較大的電池放到了機(jī)身翼盒前段。接收機(jī)，有效載荷安置于機(jī)身翼盒前段，這樣可使得由于有效載荷的變化引起的全機(jī)重心位置移動量最小。
7 結(jié)構(gòu)設(shè)計
機(jī)身受力主要有螺旋槳拉力、機(jī)翼機(jī)身接頭傳來的氣動力、尾翼傳來的氣動力和內(nèi)部裝載物的重力，可近似等效成幾個集中力進(jìn)行分析。
7.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計
機(jī)身上的主要載荷是由與機(jī)身相連的其他部件（機(jī)翼、尾翼、動力裝置、起落架）傳給機(jī)身的集中力，因此，機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計時的首要任務(wù)就是要考慮如何承受來自其他部件的集中力并以較為合理的方式分散給機(jī)身上的各承力構(gòu)件。
7.1.1 電動機(jī)與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計
電動機(jī)是設(shè)計的Happy Boy遙控電動飛機(jī)帶動螺旋槳產(chǎn)生拉力的動力裝置，其產(chǎn)生的最大拉力大于 1000 克，它對機(jī)身的作用力主要是沿 X 軸的拉力和連接面的剪力。它與機(jī)身的連接方式如圖 7-1 所示：
圖7-1 電動機(jī)與機(jī)身連接方式
電機(jī)是固定在370減速組上的， 減速組通過一顆螺釘套在主梁上，主梁和機(jī)身通過強(qiáng)力膠與機(jī)身框架進(jìn)行粘接，粘接點(diǎn)分別在圖中的1，3處，由于考慮到主梁是承載這個飛機(jī)與電動機(jī)的連接部件，為了增加強(qiáng)度，可在圖中2處增加一個薄板，主梁粘接在薄板上，薄板粘接在機(jī)身上。這樣由原來的兩點(diǎn)固定改為兩點(diǎn)與一個平面共同固定，使強(qiáng)度增加，薄板是輕木材質(zhì)，質(zhì)量可忽略不計，所以不會增加飛機(jī)重量。
圖7-2 主梁與機(jī)身連接方式
7.1.2 機(jī)翼與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計
機(jī)翼是飛機(jī)產(chǎn)生升力的主要部件，在我考慮的幾種設(shè)計狀態(tài)下，由于機(jī)動或者突風(fēng)的影響，飛機(jī)的過載系數(shù)往往是大于 1 的，這就使得機(jī)翼傳給機(jī)身的力往往是數(shù)倍于飛機(jī)本身的重量，為了攜帶方便，應(yīng)將機(jī)翼設(shè)計成可拆卸的。航模飛機(jī)機(jī)翼的固定方式大致分為兩種，一種是螺栓固定，另一種是橡皮筋固定。螺栓固定法可靠，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，安裝麻煩；橡皮筋固定法結(jié)構(gòu)簡單適合小型飛機(jī)，安裝方法簡單。Happy Boy屬于小型飛機(jī)，用橡皮筋完全能夠滿足要求，所以原機(jī)中機(jī)翼與機(jī)身通過橡皮筋固定。固定方式見圖7-3所示，1，2為固定棒，貫穿于機(jī)身之中，3是橡皮筋兩端套在固定棒上，沿機(jī)身軸線左右各一根，將機(jī)翼4穩(wěn)定的固定在機(jī)身5上。
圖7-3 機(jī)翼固定方式示意圖
7.1.3 尾翼與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1 水平尾翼與機(jī)身的連接
由于平尾上所受氣動載荷較小，故在平尾與機(jī)身連接時將平尾直接膠結(jié)在機(jī)身尾段，其結(jié)構(gòu)形式可見圖 7-4。
圖 7-4 水平尾翼與機(jī)身的連接圖
2 垂直尾翼與機(jī)身連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計
在垂尾的下緣設(shè)計了一根緣條，用以增大垂尾與機(jī)身尾段的接觸面積，提高接觸面的膠結(jié)強(qiáng)度。垂尾和機(jī)身的連接同樣采取直接膠結(jié)的方式，如圖 7-5 所示：
圖 7-5 垂尾與機(jī)身的連接圖
8 航模飛機(jī)的改進(jìn)
飛機(jī)的改進(jìn)主要包括以下兩個方面：
1. 動力系統(tǒng)的改進(jìn)
2. 起落架的改進(jìn)
8.1 動力系統(tǒng)的改進(jìn)
原機(jī)配備的是370直流永磁電機(jī)，現(xiàn)在就這種電機(jī)介紹直流永磁電動機(jī)的特性
8.1.1基本結(jié)構(gòu)及工作原理
航模所用的動力電機(jī)大部分為直流永磁電機(jī)，它的鐵殼里有一對瓦形磁鋼和一個轉(zhuǎn)子。在轉(zhuǎn)子上除了硅鋼片鐵芯和繞在它上面的線圈之外，還有一個圓柱形換向器。換向器由相互靠的很近而又相互絕緣的銅制換向片構(gòu)成。換向片的數(shù)目同繞組的數(shù)目相等，通常為三個，稱為三季式，高級電機(jī)也有五級和七級的，但不能為雙數(shù)。
電機(jī)外殼是用鐵制成的，即起支架作用又可與瓦形磁鋼一起形成磁回路。兩塊磁鋼以不同的極性相對設(shè)置。轉(zhuǎn)子線圈的每一組引出線首尾相連，形成封閉回路。每個街頭又分別與對應(yīng)的換向片相連接。
電機(jī)的另一 重要部件是一對電刷，它依靠彈力壓在換向器上，可以相互滑動。電機(jī)電源的正負(fù)極分別同這兩個電刷相連，連通電源后整個轉(zhuǎn)子（包括鐵芯，線圈，換向器和轉(zhuǎn)軸）就會轉(zhuǎn)動起來
當(dāng)圖a中電刷“+”與電刷“-”分別接通電源時，電流從正極通過電刷流到換向片3，然后分成兩路：一路流經(jīng)線圈3，換向片1和電刷“-”，流回電源負(fù)極；另一路經(jīng)過線圈2，換向片2和電刷“-，流回電源負(fù)極。根據(jù)右手螺旋定則，可以判定電流在線圈2和線圈3中所形成的磁場極性如圖1a所示。根據(jù)同性相斥，異性相吸的原則，線圈2和線圈3的磁場分別同電機(jī)的兩塊磁鋼相互吸引和排斥，結(jié)果使轉(zhuǎn)子向逆時針方向轉(zhuǎn)動。途中1的兩端所連接的換向片1，換向片2此時都與電刷“-”相連，因而沒有電流流過，不產(chǎn)生磁場。
當(dāng)轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)過30°之后，圖形如圖b所示。此時三個線圈都有電流流過，所產(chǎn)生的磁場如圖中所標(biāo)。它們同磁鋼相互作用的結(jié)果會使轉(zhuǎn)子繼續(xù)逆時針轉(zhuǎn)動。
總之，只要接通電源電機(jī)軸將會沿逆時針方向不停地旋轉(zhuǎn)；而若電源反接，電機(jī)將會向反方向轉(zhuǎn)動。5級式和7級式電機(jī)原理和3級式是一樣的。
圖8-1 直流永磁電機(jī)原理圖
圖 A 圖 B
8.1.2 常用鐵氧體電機(jī)的品種規(guī)格及選用
直流電機(jī)的磁鋼材料有稀土磁鋼和鐵氧體兩種，目前所用的大部分都是鐵氧體磁鋼。
表中列出了我國常用的鐵氧體電機(jī)的部分技術(shù)數(shù)據(jù)供參考。
表8-1 鐵氧體電機(jī)數(shù)據(jù)
系列號
540
480
370
180
130
030
外徑（mm）
35.7
27.7
24.4
20
20
15.3
長度(mm)
50
47
30.8
32
25
18.8
重量(g)
145-173
95-104
44-51
32-33
17.5-22.5
10.5
軸徑(mm)
3.17
2.3
2
2
2
1.5
適用電壓V
7.2-9.6
7.2-9.6
6-8.4
4.8-7.2
3.6-4.8
3.6-4.8
最大電流A
15
12
8
5
2.5-3
2
540電機(jī)通常用于翼展1700-2000mm；重量在1000-1400g的大型電動滑翔機(jī)模型中，也可用在與此對應(yīng)的電動模型飛機(jī)中。130電機(jī)適用于120克以下的小飛機(jī)上，180電機(jī)適用于240克以下的電動滑翔機(jī)等模型飛機(jī)。030電機(jī)屬于更輕小的電機(jī)，一般用于超小型模型飛機(jī)上。
原廠配備的就是表中所列370型號電機(jī)，它的外形尺寸同過去日本的280電機(jī)相同，但輸出功率和工作效率都大有提高，重量也相對較輕。370電機(jī)常用于重量在380克左右的模型飛機(jī)上。這也是為什么廠家要配備這一型號電機(jī)的原因。
8.1.3 改進(jìn)措施
目前，無刷電動機(jī)應(yīng)用的十分廣泛，它的優(yōu)點(diǎn)在前章已經(jīng)闡述，所以我的改進(jìn)方法就是將原有的直流永磁電機(jī)改為外轉(zhuǎn)子無刷電動機(jī)。
8.1.3.1 無刷式直流電機(jī)的應(yīng)用與原理
其實(shí)，無刷電機(jī)與無刷電機(jī)電子調(diào)速器人們早就在工業(yè)領(lǐng)域運(yùn)用了，但傳統(tǒng)的無刷電機(jī)控制主要用霍爾傳感器來為無刷電機(jī)作換相檢測，而航模用無刷電機(jī)通常是不用傳感器來檢測電機(jī)換相的。我們稱這種無刷電機(jī)為無感無刷電機(jī)。要驅(qū)動控制無感無刷電機(jī)按我們的需要運(yùn)行起來，用傳統(tǒng)的數(shù)字電路幾乎無法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗目刂茩C(jī)理十分復(fù)雜，即使傳統(tǒng)數(shù)字電路能夠?qū)崿F(xiàn)對無感無刷電機(jī)的運(yùn)行控制，那也必然是一塊幾何尺寸和重量都相當(dāng)可觀的復(fù)雜裝置，這樣的話，它就顯然不適合航?？刂齐娐份p量化和小型化的要求。所以我們眼下看到的無感無刷電機(jī)電子調(diào)速控制器（業(yè)內(nèi)俗稱“無刷電調(diào)”）無一例外都是采用微處理器作為核心器件，通過相當(dāng)復(fù)雜的動態(tài)計算來實(shí)現(xiàn)對無感無刷電機(jī)的調(diào)速控制的。
在航模領(lǐng)域，用無刷電機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有刷電機(jī)之所以已成必然，是因?yàn)樽鳛殡妱雍侥恿M的電機(jī)