航模飞机的原理分析及其改进（含CAD图纸、UG三维、word说明书）

附件5专 业机械设计制造及其自动化学 院工程学院姓 名 指导教师 论文（设计）题 目航模飞机的原理分析及其改进毕业论文（设计）前期工作小结在做毕业设计前期，主要工作是搜集资料，准备模型器材，上网搜集相关信息。具体内容如下：1.搜集资料：由于航模方面的原理与本专业有所不同，为了更好的学习和掌握相关内容，我搜集了航空模型，模型飞机飞行原理，飞机结构设计等相关书籍，以供参考。2.准备模型器材：为了理论与实践相结合，更好的完成设计，我准备了“利诚模型制作设计有限公司”出品的“Happy Boy”初级航模飞机和“Futaba”出品的四通道4EX遥控器一套，另外还有改进飞机所用的无刷电机，电子调速器和轻木条，钢丝等零件。3.上网搜集相关信息：通过互联网，访问相关论坛（模型中国论坛）和登录航模生产厂家的网站，了解现在的市场行情和近几年来应用在航模中的新技术。毕业论文（设计）中期工作小结有了充分的前期准备工作，中期主要工作是毕业设计主体的制作。首先是认真的阅读相关书籍，学习飞机设计的理论知识，飞机结构的相关布局，大致了解空气动力学等专业知识。系统的学习了航空模型的飞行原理，模型制作方法和电子操作系统的工作原理。其次是毕业论文的编写，在论文中先对航空模型飞机的设计原理进行阐述，掌握它的设计特点，对现有的航空模型器材“Happy Boy”如何选择布局形式，为何这样设计进行了深入的探讨。对航空模型飞机的动力系统的选择和电源的选择进行了分析，为下一步的改进做好基础。最后是和机械设计制造专业相结合，利用CAXA软件绘制“Happy Boy”的设计图纸，可以客观的从专业角度了解模型的原理。指导教师意见指导教师签名： 本科生毕业论文（设计）中期汇报表填表日期：本科生毕业论文（设计）任务书论文题目航模飞机的原理分析及其改进学院名称工程学院姓名专业班级指导教师 课题类型应 用毕业论文（设计）的内容摘要1、通过查阅一定量的文献资料，掌握航空模型的设计方法及相应软件的使用； 2、进行航模的实体造型；3、确定航模改进的最佳设计方案，并据此进行相应的计算和设计；4、做出此航模的三维装配效果图（UG或Pro/E）。毕业论文（设计）基本要求及工作量要求1、完成航模的实体造型；2、对所选择的航模结构进行分析，进行相应的计算，完成改进部分的设计工作；3、绘制航模的二维、三维爆炸图，以及必要的零件图若干；毕业论文（设计）的主要阶段计划（分前期、中期、后期）1、12周文献资料查询；2、311周完成设计工作并撰写毕业论文，提交初稿并进行修改；3、1213周对论文进行完善，准备毕业答辩。任务下发日期完成日期系主任 主管教学院长审批（签字）：附件2学士学位毕业论文（设计）（黑体、小四号字）航模飞机的原理分析及其改进学生姓名：指导教师：所在学院：专 业：中国大庆（宋体、三号、字间距加宽1磅）2005（times new roman） 年 6 月（宋体、三号）样本封面的页面设置学士学位毕业论文（设计）（黑体、小四号字）学士学位毕业设计航模飞机的原理分析及其改进学生姓名：指导教师：所在学院：专 业：毕业设计(论文)开题报告学生姓名： 专 业： 机械设计制造及其自动化设计(论文)题目： 航模飞机的原理分析及其改进 指导教师： 年 3 月 15 日毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告文 献 综 述1、无线电遥控飞机的意义人类自古以来就幻想着飞行。在载人的航空器发明之前，人类就创造了许多能飞的航空模型，不断地探索着飞行的奥秘。在飞机发明之前，航空模型具有强烈的探索性质，飞机发明之后航空模型仍然是研究航空科学的必要工具。我国古代就有用风筝测量距离和传递信息的历史记载。随着航空模型的发展，特别是无线电遥控模型飞机的不断完善，航空模型的用途越来越广泛。如：可以利用遥控模型飞机进行航空航天领域的科学研究；作为部队对空射击训练的靶机；也可以在遥控模型飞机上装上摄像机进行航拍；利用模型飞机进行遥控遥测，利用航模飞机携带农药灭虫；利用遥控模型飞机进行商业活动、节日庆典活动作飞行表演等等。美国防部利用无人驾驶飞行器已经有很长的历史。早在越南战争时代，美国防部就使用了无人驾驶飞机（如：BQM34A“火蜂”）和遥控飞行器。不同类型、形状、型号和能力的无人驾驶飞行器一直服役于美国武装部队，主要用来从事情报搜集、监视、侦察，以及目标探测活动。但局限于当时的科技水准，再加上回收时存在重要技术难题，当时采用降落伞和阻拦网技术，现在流行的全自控或遥控滑行着陆技术由于条件所限难以做到，使得人机的任务成功率非常低。美国国防部自从20世纪60年代以来，在无人驾驶飞行器方面的投入的资金超过60亿美元。尽管投入了巨资，美国武装部队当时既没有一整套使用无人驾驶飞行器的最佳操作规程和战术策略，也没有建成一支强大的无人驾驶飞行器部队，由于技术问题和缺乏作战能力，大部分无人驾驶飞行器计划被搁置。早期的无人驾驶飞机除了具备让飞行员免受伤害的优势之外，并没有展现出比有人驾驶飞机更多的优势。自从美国在越战中首次使用“火蜂”无人机从事侦察以来的几十年中，世界各国对无人机的研究就没有中断过，特别是最近十几年，随着各项相关科技的发展，无人机设计、维护、训练成本 机动灵活，隐蔽性好，不惧伤亡，生命力强，起降简单，操纵灵活等优点逐步显示出来，成为飞机发展的一个重要趋势。实践证明，无人机在军用和民用方面都有着广泛的用途。军事方面，无人机携带不同的战斗装备，可用于执行战场侦察、监视、电子干扰、战斗评估、雷达诱骗、目标指示、精确打击、定点轰炸、纵深攻击、反装甲、反辐射、反舰艇，甚至拦截战术导弹和巡航导弹等多种作战任务。在海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争以及旷日持久的反恐战争中，无人机都大显身手，屡出风头。无人机的民用价值也很高，它可以广泛用于边境监视、地面和海洋运输监督、森林火情侦察和森林采伐的巡察、气象监测、人工降雨、大地测量、海岸巡逻、水灾监视、交通管理、地球资源勘探、高压线路故障巡视监测、场区监控、城市环境监测等十多个民用领域，市场前景十分广阔。2、无线电遥控飞机的发展现状我国研制无人机已有四十多年的历史，先后研制成功长空一号无人靶机系列、长虹高空高速无人侦察机、T-6通用型无人机、Z-5系列无人侦察机、ASN系列无人机等。开发出的数十种靶机和侦察型无人机，已能批量生产和装备部队，广泛应用于昼夜空中侦察、战场监视、目标定位、校正火炮射击、战场毁伤评估、边境巡逻等军事领域和航空摄影、地球物理勘探、灾情监测、海岸缉私等民用领域。美国在电动无人机的发展上走的比较靠前。由Cessna公司和美国海军研究局美国航空航天学会主办的大学生设计/制作/试飞竞赛已经连续成功举办了几届。竞赛通过专家、评委对设计报告和飞行过程的综合打分，确定各参赛队的成绩，对于进入前三名的队伍分别给予2500、1500和1000美元的现金奖励。这项竞争吸引了全美几十所大学航空相关专业的学生组队参加，通过亲自参与小型电动无人机的设计、制作与试飞的全过程，使他们有机会将大学中所学知识综合运用，在实践中得到锻炼，并极大的促进了电动无人机事业的发展。近两年来，加拿大、意大利、土耳其的几所大学也开始组队参赛，并取得了不错的成绩，竞赛主办者还向日本、英国、德国、法国和俄罗斯等国家的大学发出了邀请，意图使使这项赛事向国际化方向发展，在全世界范围内促进电动无人机事业的发展。限制无人机在民用领域应用的主要因素不在于飞机本身，而在于相关领域的配套研发工作严重滞后，无法满足该领域内的任务要求，使无人机处于“有枪无弹”的尴尬境地。随着配套研发工作的逐步进行，这一现象有望在未来几年得到改变。相对于以往的油动发动机，以各种电池作为能源，电动机作为动力系统，更加的安静、清洁、环保、无毒害，使电动无人机成为一种新的发展趋势。然而，在输出功率相同的情况下，电动动力系统要比油动动力系统重的多，为达到相同的设计性能，将对飞机的制造工艺提出更高的要求，这在很大程度上限制了电动无人机的发展。作为军用及民用无人机的雏形,航模运动在我国发展已有几十年的历史，但介于各种原因此项活动没有被广泛推展开来。市面上的航模产品种类繁多，但中高端产品主要被外国品牌所占有，价格昂贵。国内厂家生产的大多是初级入门级产品，且相关的配套产品匮乏，质量参差不齐。考虑到航模成本高，为追求更高的飞行性能，大多数航模爱好者选择自己动手改装飞机。在国内,改装航空模型大多局限于专业人士,对于大众的普及还很远。主要原因是航模虽然看似简单,但其设计原理,气动布局,组织结构都与真飞机相似,涉及相关专业领域较多，如无线电学，空气动力学，理论力学，机械设计及其原理等许多学科，专业性强。目前市场上常见的初级入门级航模大多采用普通370有刷电机，这种电机的特点是价格便宜，耗电量大发热多，扭矩小需要安装减速机构。机轮固定，在跑到滑行时无法转向，容易偏离航向。而市面上的中高端产品大多采用无刷外转子电机，其特点是价格昂贵省电，发热量小，扭矩大，并且大多数高端机起落架可以转向甚至收回机舱内。通过这次设计，将对航模飞机进行深入分析，掌握其设计结构和飞行原理。并在初级入门级飞机的基础上对其进行改进，达到理想的目的要求。参考资料1 朱宝流，高国钧，施定邦著. 模型飞机飞行原理. 上海教育出版社. 1980. 2 武 哲,谢 础. 航空模型. 航空知识杂志社. 2006,第五期. 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）1、 航模的原理分析及改进 本次设计是在本人现有的航空模型飞机套材”Happy Boy”的基础上，对其进行深入的分析，掌握航模飞机的设计原理，并且优化改进飞机的动力系统和起落架转向系统。主要内容有：1. 了解飞机的飞行原理2. 理解飞机的布局结构3. 掌握内部电子电路控制系统的工作原理4. 改进飞机的动力系统5. 改进飞机的起落架转向系统 优化后的飞机将有更强的动力，抗风性提高，机身结构得到加强，并且在地面滑行时可以转向（原产品无法转向）。2、 研究方法EDS公司的Unigraphics NX是一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。Unigraphics NX为设计师和工程师提供了一个产品开发的崭新模式，它不仅对几何的操纵，更重要的是团队将能够根据工程需求进行产品开发。Unigraphics NX能够有效地捕捉、利用和共享数字化工程完整过程中的知识，事实证明为企业带来了战略性的收益。在目前的三维造型软件中占有重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。作为高等学校和研究机构来说，该软件是进行设计的重要工具。在UG模块中可对零件模型进行有限元分析和优化；在机构运动模块中，可对零部件模型进行机构运动仿真，并获得距离、速度等输出曲线。本次设计主要通过亲自对航模飞机进行拆分和改装，并且查阅相关飞行器设计书籍，对航模的结构和原理充分了解。改进方面，将运用UG软件对航模起落架转向系统进行实体造型与模拟仿真，验证其可行性。 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日6毕业论文（设计）成绩单院系专 业机械设计制造及其自动化入学时间学号学生姓名何鑫班 级周数起止日期指导教师程新江职称论文（设计）题目航模飞机的原理分析及其改进指导教师评语指导教师签名年 月 日评阅人评语评阅人签名年 月 日答辩小组评语答辩小组负责人签名 年 月 日评分指导教师评阅人答辩小组平均分五级制等级备注：本成绩单一式二份，一份装订在毕业论文（设计）中，一份入学生学籍档案。摘要本文介绍了遥控电动飞机“Happy Boy”的设计、工作原理及其改进的全过程。文中首先对小型电动无人飞机原理进行了深入分析，掌握设计方法后，在原机的基础上进行改进，主要改进措施包括：更换飞机动力系统以及增加转向机构。动力系统的更换主要表现在使用无刷电机代替原有的有刷电机，因为无刷电机的优点是功率大，功耗低，使用寿命长，由于取消了碳刷，所以产热量小。转向机构的改进是将后三点式起落架改为前三点，并使前轮可以转向，原机起落架采用后三点固定式起落架，飞机在滑行过程中无法转向，转向机构主要由曲柄摇杆来实现，并且使用软件进行实体造型设计。关键词：飞机设计；电动飞机；改进；AbstractIn 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目录摘要Abstract1 绪论12 构型设计32.1 机翼42.1.1 机翼形状选择42.1.2 机翼安装位置42.1.3 机翼增升装置52.2 尾翼52.2.1 平尾52.2.2 垂直尾翼62.3 发动机位置62.4 起落架形式72.4.1 前三点式起落架72.4.2 后续三点式起落架72.5 构型方案的选择83 主要参数的估算94 推进系统的设计与计算分析104.1 推进系统性能计算和分析104.1.1 动力电池的特性分析104.1.2 马达特性分析114.1.3 螺旋桨特性分析124.1.4 减速器特性分析124.1.5 调速器特性分析135 各部件的初步设计155.1 机身外形设计155.1.1 机身的主要几何参数155.1.2 机身几何参数155.1.3 机身外形的初步设计165.2 机翼外形初步设计165.3 尾翼外形初步设计165.4 起落架位置的确定175.5 操纵系统的初步设计186 总体布置197 结构设计207.1 机身外形设计207.1.1 电动机与机身的连接结构设计207.1.2 机翼与机身连接的结构设计217.1.3 尾翼与机身连接的结构设计228 航模飞机的改进238.1 动力系统的改进238.1.1 基本结构及工作原理238.1.2 常用铁氧体电机的品种规格及选用248.1.3 改进措施258.1.3.1 无刷式直流电机的应用与原理258.1.3.2 无刷式直流电机的特性268.1.3.3 动力电源278.2 起落架的改进288.2.1 主起落架与机身连接的结构设计288.2.2 前起落架与机身连接的结构设计298.2.2.1 机构自由度计算308.2.2.2 机构的控制319 飞机重心确定329.1 重心变化的若干因素309.1.1 水平安定面对重心的影响329.1.2 翼型对重心的影响329.1.3 攻角的影响339.2 重心的确定3310 遥控设备3410.1 遥控原理3410.2 遥控设备在飞机上的应用3511 结论36参考文献37致谢38- 37 - 1 绪论飞机设计是综合运用气动、飞行力学、结构强度、发动机原理、电子、控制、材料、制造工艺等多门学科和专业的知识，创造性地构思出能满足某种飞行任务要求的飞行器的工作过程。目前在我国，了解航模飞机的人并不多，由于观念和现实条件的因素，国内的航模普及率远不及欧美等发达国家。每年我国举办的大型航模比赛，参赛院校大多是国内顶尖学府或者相关专业机构，一般团体和个人很难涉足，这也给航模的普及带来了不便。作为一名机械设计专业学生，同时也是一名航模爱好者，借此机会用所学的相关理论知识，对航模飞机的飞行原理，设计方法进行深入的分析，结合现有的资料对其改进。航模并不是单纯的娱乐，有他延伸出的无人机早已在各个领域发挥出重大作用。自从美国在越战中首次使用“火蜂”无人机进行军事侦察以来的几十年中，世界各国对无人机的研究就没有中断过，特别是最近十几年，随着各项相关科技的发展，无人机设计、维护、训练成本低廉，机动灵活，隐蔽性好，不惧伤亡，生命力强，起降简单，操纵灵活等优点逐步显示出来，成为飞机发展的一个重要趋势。实践证明，无人机在军用和民用方面都有着广泛的用途。军事方面，无人机携带不同的战斗装备，可用于执行战场侦察、监视、电子干扰、战斗评估、雷达诱骗、目标指示、精确打击、定点轰炸、纵深攻击、反装甲、反辐射、反舰艇，甚至拦截战术导弹和巡航导弹等多种作战任务。在海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争以及旷日持久的反恐战争中，无人机都大显身手，屡出风头。无人机的民用价值也很高，它可以广泛用于边境监视、地面和海洋运输监督、森林火情侦察和森林采伐的巡察、气象监测、人工降雨、大地测量、海岸巡逻、水灾监视、交通管理、地球资源勘探、高压线路故障巡视监测、场区监控、城市环境监测等十多个民用领域，市场前景十分广阔。限制无人机在民用领域应用的主要因素不在于飞机本身，而在于相关领域的配套研发工作严重滞后，无法满足该领域内的任务要求，使无人机处于“有枪无弹”的尴尬境地。随着配套研发工作的逐步进行，这一现象有望在未来几年得到改变。相对于以往的油动发动机，以各种电池作为能源，电动机作为动力系统，更加的安静、清洁、环保、无毒害，使电动无人机成为一种新的发展趋势。然而，在输出功率相同的情况下，电动动力系统要比油动动力系统重的多，为达到相同的设计性能，将对飞机的制造工艺提出更高的要求，这在很大程度上限制了电动无人机的发展。美国在电动无人机的发展上走的比较靠前。由 Cessna 公司和美国海军研究局资助，美国航空航天学会主办的大学生设计/制作/试飞竞赛已经连续成功举办了几届。竞赛通过专家、评委对设计报告和飞行过程的综合打分，确定各参赛队的成绩，对于进入前三名的队伍分别给予 2500、1500 和 1000 美元的现金奖励。这项竞赛吸引了全美几十所大学航空相关专业的学生组队参加，通过亲自参与小型电动无人机的设计、制作与试飞的全过程，使他们有机会将大学中所学知识综合运用，在实践中得到锻炼，并极大的促进了电动无人机事业的发展。近两年来，加拿大、意大利、土耳其的几所大学也开始组队参赛，并取得了不错的成绩，竞赛主办者还向日本、英国、德国、法国等国家的大学发出了邀请，意图使这项赛事向国际化方向发展，在全世界范围内促进电动无人机事业的发展。2 构型设计飞机设计工作的基本思想是：在满足所提出的各种设计要求的前提下，使飞机的结构和制作工艺尽量简单，重量尽量轻，成本尽可能低。Happy Boy原机采用的是正常气动布局，其参考数据丰富，可供运用的理论也比较成熟从气动方面考虑，采用圆形或椭圆形截面机身较为有利，但估计厂家是为了节约成本，使用较为容易制作的矩形截面机身。飞机的有以下几种布局方案：1、正常式气动构型，拉进式，上单翼，正常式尾翼下平尾，前三点式起落架。2、正常式气动构型，拉进式，上单翼，T 型尾翼，前三点式起落架。3、正常式气动构型，拉进式，下单翼，正常式尾翼上平尾，前三点式起落架。4、正常式气动构型，拉进式，下单翼，T 型尾翼，前三点式起落架。5、正常式（半机身）气动构型，推进式，上单翼，双尾撑式平尾，双垂尾，前三点式起落架。各附简图如图 2-1 所示图 2-1 备选布局方案简图 方案1简图 方案2简图 方案3简图 方案4简图 方案5简图2.1 机翼2.1.1 机翼形状选择低速飞机机翼一般为直机翼，因其低速气动特性良好，诱导阻力小，升阻比大。直机翼的平面形状一般有矩形和梯形两种。从气动方面看，矩形翼翼根先失速，具有内在的失速安全特性，且整个机翼的载荷分布也较为理想。而梯形翼具有柔和的翼尖失速特性，当根梢比选择的合适时（近似椭圆形机翼），整个机翼的载荷分布也较为适中。但从制作与装配角度考虑，梯形翼需要制作很多对不同的翼肋，以我们目前的制作水平，难以保证制作精度，装配时精确定位也比较困难，而矩形机翼的制作工艺则相对简单很多，因此出于对设计和制作成本方面的考虑，厂家采用的是矩形翼。2.1.2 机翼安装位置机翼在机身上的安装位置通常有三种：上单翼、中单翼和下单翼。这三种形式，各有其自身的优缺点。（1） 上单翼优点：稳定性好，上反角较小，机翼气动效率较高对机身内部空间影响较小，有利于机身内部装载的布置翼身气动干扰阻力比下单翼要小与机身连接比中单翼简单机身与翼盒结构可互相补偿，减轻机身结构重量缺点：起落架如装于机翼上，则高度过大，对起落架刚度要求较高若采用上单翼前三点式，重量优势不及下单翼和后三点式配合非正常着陆时，不能对机身提供保护作用（2） 中单翼优点： 翼身气动干扰阻力小缺点：与机身连接困难，对机身内部空间影响较大，不利于机身内部装载的布置（3）下单翼优点：非正常着陆时，机翼对机身起保护作用机身与翼盒结构可互相补偿，减轻机身结构重量对机身内部空间影响较小，有利于机身内部装载的布置起落架装于机翼上时，高度较小，对刚度要求较低，且起落架重量较轻缺点：稳定性差，需要较大的上反角，降低机翼气动效率翼身气动干扰阻力较大“Happy Boy”的性能要求类似于初级教练机，稳定性好是追求的主要目标之一，因此，综合比较后，采用上单翼。2.1.3 机翼增升装置采用增升装置，主要目的是增加翼型相对弯度，并对边界层进行控制，延缓翼面上的气流分离，以改善飞机的起飞着陆性能。常用的增升装置是各种形式的后缘襟翼，市场上常见的带有增升装置的航模飞机，大多采用简单襟翼与副翼相结合的增升装置形式襟副翼，这类飞机多用于国际上的F3A比赛，或花式机比赛。由于“Happy Boy”主要是用于初级者的学习，不需要做大的空中机动飞行，所以没有采用机翼增升装置。其形式如图2-2：图 2-2 机翼增升装装置2.2 尾翼2.2.1 平尾平尾有全动平尾和由安定面与升降舵组成的正常式平尾两种形式。前者操纵效率较高，具有气动学上的优点，但平尾与机身之间的缝隙难以密封，存在气流的上下泄露。因此采用正常式平尾。根据平尾在机身上的安装位置，正常式平尾可分为：上平尾、中平尾、下平尾和“T”形平尾。选择平尾高低位置主要遵循下列原则：（1）避开机翼尾涡流的不利干扰（2）避开螺旋桨尾流的干扰（3）有利于结构布置由于前面已选定上单翼形式，根据上述原则，只能选择下平尾或“T”形平尾。下平尾与机身对接容易，可充分利用机身的强度，但与机身之间的气动干扰阻力较大。采用“T”型平尾方向舵效率高于其它形式，可减小垂尾面积，且机身与尾翼之间的干扰阻力较小，可提高尾翼效率。但大迎角时有深失速的危险，并且对简单的木制结构而言，平尾与垂尾对接不容易，应予以格外加强，可能导致重量的增加。综合考虑，Happy Boy 的设计采用的是上单翼与下平尾搭配的形式。这种布局使航模制作更加简便，这更有利于初学者对飞机进行组装，并且使尾翼的强度有所增加。2.2.2 垂直尾翼正常式布局的垂尾一般有单垂尾与双垂尾两种形式。当尾容量相同时，双垂尾与单垂尾相比，其压力中心高度显著降低，可减小由侧力造成的对机身的扭矩。但两个垂尾间距太小时，会有显著的气动干扰，因此，必须将垂尾布置在平尾的两端，而这又使方向舵的操纵变得复杂，可能在操纵系统上付出较大的代价。并且，双垂尾的面积大于单垂尾，所付出的阻力上的代价可能会抵消它给机身带来的好处。因此，Happy Boy采用单垂尾。尾翼布局简图如下：图 2-3 尾翼布局简图2.3 发动机位置低速飞机一般采用发动机带动螺旋桨作为动力，根据螺旋桨的安装位置，可分为推进式与拉进式两种。 拉进式动力配置方式效率高于推进式，而且有利于马达散热，可降低大电流工作时对电机性能的损伤，延长电机的寿命，但在起飞和降落时打断螺旋桨的概率大于推进式。布局形式如图2-1中方案1，2，3，4所示。推进式动力配置方式大多采用双尾支撑结构，中间留出螺旋桨的位置，可以有效保护螺旋桨，且不需要后机身，使结构得到简化，构型也很美观。但因受机身影响，效率低于拉进式，而且不利于电机散热。同时动力装置靠后，使重心位置后移，需在前机身配置载重或重物，以满足稳定性要求。布局形式如图2-1中方案5所示。因为传统机型大多采用拉进式，并且拉进式在制作工艺上相对简单，所以Happy Boy采用拉进式。2.4 起落架形式适合航模飞机的起落架形式主要有前三点与后三点两种，二者各有优缺点。2.4.1 前三点式起落架：优点：起飞降落过程中航向稳定性好降落时不容易拉飘着陆速度比后三点高对遥控技术要求低，易入门缺点：结构重量较大桨尖距地面较近，滑跑时易被地面杂物打伤2.4.2 后三点式起落架：优点：结构重量较轻桨尖距地面较高，滑跑时被地面杂物打伤的概率较小缺点：起飞降落过程中航向稳定性差降落时容易拉飘降落时易倒立，损坏推进系统和飞机结构对遥控技术要求高比较二者的优缺点，可以发现前三点式起落架更有利于初学者掌握航模飞机的操纵技巧， Happy Boy属于简易航模，自身重量小，原厂设计的是后三点式起落架。所以我的改进内容就包括起落架的改装，增加起落架的转向装置，详细叙述见8.2。2.5 构型方案的选择综合比较各种结构及方案的优缺点，并结合我们自身的理论知识和制作水平以及工作室所具备的加工条件，我最终为“Happy Boy”号选择了第 1 种方案，即：正常式气动构型，拉进式，上单翼，正常式尾翼下平尾，前三点式起落架。3 主要参数的估算飞机的设计很复杂，参数众多，一般非专业人员很难掌握，由于本人所掌握的知识有限，因此这里只对飞机参数的选择与计算过程进行简单介绍。Happy Boy 的设计参数厂家已经给出，不需要计算。飞机的设计参数有很多，但对飞机的总体方案具有决定性的全局性影响的参数主要有三个，它们是：（1）飞机的正常起飞重量 Wto（kg）（2）动力装置的海平面静推力T0（10N）或静功率P0（W）（3）机翼面积S（m2）这三者当中只要有一个改变，就会引起全机总体方案的大改动。通常将上述三个参数进行组合，得到两个相对参数：（1）起飞机翼载荷 Wto/S (kg/m2)（2）起飞推重比 T0/Wto（10N/kg）或起飞功率重量比P0/ Wto (W/kg)在选择飞机参数时，应先根据飞机设计要求中所给定的飞行性能指标和典型飞行任务，初步选定翼载荷、推重比（或功重比）及起飞重量的初值，然后才能进一步确定其它参数。根据设计要求，Happy Boy的设计目标是初级教练机，主要设计指标为稳定性好与航时尽量长。参考AIAA网上数据库和航空模型上其它飞机的数据，一般电动飞机的翼载荷为 4. 2 kg/m2。参考航空模型上的经验数据可知，电动模型每磅重量应有 5060 瓦的功率，约合 110130W/kg，暂取最大功率重量比为 120 w/kg。厂家给出的飞机性能参数如下：表 3-1 Happy Boy 性能参数Happy Boy 性能参数翼展全长主翼面积全备重量翼载荷840mm780mm19 d450g25g/ d 由表3-1可推算出：Wto / S = 25 Wto= S 25 = 19 25 = 475 g4 推进系统的设计与计算分析电动飞机的推进系统有四个主要的组成部分：动力电池组、调速器、马达和减速器、螺旋桨。其中采用直接驱动方式的推进系统不含减速器。动力电池是整个推进系统的能源，它同时为马达和无线电接收系统供电，保证推进系统和无线电接收、控制系统的正常工作。调速器是输出功率的调节器，它接受接收机的油门通道信号，输出与油门杆位置相对应的马达驱动电压，达到控制输出功率的目的。马达是推进系统的执行部分，它在驱动电压下工作，产生转矩，最终带动螺旋桨转动，产生所需的拉力。减速器用以协调马达和螺旋桨间高效率时的转速。推进系统的连接框图如图4-1 所示，原厂配备的电动机和电子调速器实物如图 4-2 所示。图 4-1 推进系统原理图图 4-2 推进系统实物 4.1 推进系统特性计算和分析4.1.1 动力电池的特性分析目前可以用来作为模型动力电源的电池种类主要为以下几种：镍氢电池、镍镉电池、锂电池。用于衡量电池优劣的指标主要是：能量比和功率比。能量比即电池的容量与重量之比，通常用 mAh/g 表示，其值越高说明同样容量下，电池的重量越轻。功率比通常用电池的放电倍率来表示，就是指电池的最大连续放电电流与电池容量 C 的比值。通常在容量C 前加一个数字表示。例如某种 1800 毫安时电池的放电倍率是 10C，即表示此种电池的最大连续放电电流为18安培。此外，对动力电池的要求还有耐过充电与过放电能力，以及能否适应急充电的能力。把三种类型的电池作一下比较，由表 4-1 中可以发现锂离子电池的能量比最高，因为它的单体电压为 3.7 V，镍镉电池最低。镍镉电池的放电倍率最高，锂离子电池最低。考虑到现实情况要求，采用并联的锂聚合物电池组，它满足最大电流要求时重量比镍镉稍微重了一点，但却能够极大地增加航时。随着近几年来电子科技的发展，锂离子电池已经逐渐普及，价格也有所下降，特别是它重量轻大容量和无记忆效应的特点，在现实生活中使用的越来越频繁。Happy Boy 本身翼展小，重量轻，不适合使用重量和体积过大的电池，所以锂离子电池是它的首选，并且近些年锂电池的普及也是航模运动发展的方向。表 4-1 电池参数比较电池类型单体电压mAh/g放电倍率价格备注镍镉电池1.2V3415C20C一般充、放容易，耐过充、放电，有记忆效应。自放电。镍氢电池1.2V6810C12C一般充、放容易，耐过充、放电，无记忆效应。自放电。锂离子电池3.7V395C6C昂贵需用专用充电器，不可过充、放电，无记忆效应，自放电极少4.1.2 马达特性分析在Happy Boy电动飞机设计方案中采用的是永磁体的直流有刷电机。对于直流有刷电机而言，体现其性能的参数主要为：电枢电阻Ra，转速特性系数Kv，力矩特性系数Kt，空载电流i0；。马达转动时它符合以下几个方程：Ea=Kvn （4-1）工作状态的电动机的电路示意图如 4-3 所示。考虑电池组内阻，电动机工作时整个系统的方程为Vb= Ea+ ia（Ra+ Rb） （4-2）Q =Ta=Kt（iai0） （4-3）m= Q2 n/60（Ea+ iaRa）ia （4-4）其中：Vb 为总电压（非电池组两端电压）Rb 电池组的内阻Q 电动机负载m 电动机效率图 4-3 马达工作电路图Happy Boy 配备的是370电动机：适用电压 U = 6 - 8.4 V （取标准值7.4V）工作电流 I = 8 A由此可推算出电动机功率：P = U I = 7.4 8 = 59.2 W在一定的电压下，电机的转速随着负载的增加而线性减小，电流随着负载的增加而线性增加，其效率首先是曲线增加，达到最大值后曲线降低。若负载为零，则此时电流即为空载电流。应该注意的是，电机最高效率时的负载要比输出功率最大时的负载小，此时的转速也相当高，直接驱动大的螺旋桨将会因过载而损坏电机，但是，一个大直径低转速的螺旋桨将却是高效率的，因此两者之间需要一个减速器来协调。4.1.3 螺旋桨特性分析螺旋桨就是一个旋转的翼面，流过桨叶的流场由两部分组成：一个是飞机前飞引起的流场，另一个是桨叶旋转引起的流场。这两个流场的叠加就是气流相对于桨叶的实际有效速度和迎角。根据桨叶翼型的升力系数和阻力系数可以确定作用在桨叶上的升力和阻力，进而得到螺旋桨的推力和扭矩。螺旋桨的制造商一般只给出了直径和螺距，而真正能表达螺旋桨特性的参数是：推力系数CT，扭矩系数CQ，功率系数CP，螺旋桨效率P。这些参数都和螺旋桨的进距比J有关。模型器材中原厂配备的是1047桨，这种桨价格便宜，不易损坏，广泛的使用在初级模型器材中。4.1.4 减速器特性分析在整个推进系统中，减速器只有效率影响整个推进系统的特性。减速器的效率只和其制造精度、磨损程度有关，而和其转速没有太大的关系，因此应该注意对减速器的润滑保养。使用中应特别注意避免因为碰撞而造成轴的弯曲和齿轮的损坏，这样将造成其效率急剧下降，甚至报废。“Happy Boy”电动模型上采用的是和“370”马达配套的减速比为3.3的偏心式齿轮箱减速器见图4-4，其迎风面积小，结构简单价格便宜。这种齿轮箱可配合小动力或中等动力电机。偏心式齿轮箱最大的缺点是不能安装在机头空间较小的模型飞机上（因为偏心轴需要占据一定空间）；并且电机需要反转（输出轴与电机轴反向运转）；还会对电机轴承施加一些侧压。图4-4 370减速组 一般的改进方式是采用斜齿轮，由于齿轮之间接触面的增加，相互啮合的轮齿间转动会更平滑，能增加齿轮箱的负载能力和运行平顺性，同时可以将电机轴的钢制齿轮换成黄铜齿轮，使运行更加平滑降低噪音。借鉴国外的经验，减速器的效率g=0.90。4.1.5 调速器特性分析调速器是一个复杂的电子器件，由于是通过它向马达供电，在飞行状态中，马达的工作电流约在5安培，起飞状态的工作电流可能会达到 15安培。因此调速器的内阻成了一个非常重要的参数，我们希望其电阻尽可能地小，这样调速器所耗的电能将会减小，其工作时产生的热量也小，有助于延长调速器的寿命。非常遗憾的是，制造商并没有提供其内阻，计算中我们只好假设其内阻为零，这可能使可用功率的计算比实际情况偏高。在调速器的选择时，主要考虑以下几个性能参数：最大工作电压，连续工作电流，断电电压，重量，尺寸。BEC 性能Battery Eliminator Circuit：利用动力电池组向无线电接收、控制系统供电；电池电压过低时，停止向电机供电，保证无线电接收机和舵机的正常供电，使飞机不致失控几乎所有的调速器都能满足。Happy Boy原厂配备的是由西安集成电路设计有限公司出品的Sunrp牌15A智能电子调速器，它的技术参数如下表所示。表 4-2 5A智能电子调速器性能参数工作电压7.4V11V连续工作电流15A重量9gBEC5V/1A开关频率3kHz外形尺寸（mm）211355 各部件的初步设计在选定飞机的主要参数之后，就可以对全机各主要部件的几何参数进行初步计算，现分述如下。5.1机身外形设计由于“Happy Boy”遥控电动飞机的最大设计平飞速度也不过 10m/s，属于低速飞机之列5.1.1 机身的主要几何参数飞机机身外形设计的主要几何参数是其总长度 L身 和最大横截面积 S身 。在选择参数时，还经常用到这两个几何参数的比值所构成的相对参数机身的长径比身= L身 / S身 （5-1）式中S身对于圆形截面机身即为机身最大直径，对于非圆形机身，则为其最大横截当量直径长径比 身 是机身一个很重要的几何参数，它代表了机身几何外形最主要的特征，对机身的气动阻力和机身结构等方面的特性都有直接的影响。5.1.2 机身几何参数1.机身最大横截面面积的初步确定在机身翼盒段，布置了接收机，舵机等有效载荷，加上各种操纵的导线在总装完成后也聚集于此，所以此处成为了最有可能的最大截面处，根据接收机体积，权衡有效载荷的可能形状和体积，经测量得出高 95 mm，宽 50 mm 的矩形截面。根据公式： S身 = 95 50 = 4750 2、机身长度及机身长径比的确定机身长度基本上是由电动机安装长度+电池长度+尾力臂+尾翼根弦长的总和决定的，只要在其间适当留有余地用于隔框、起落架等结构的设计就可以了。由飞机的技术参数可知机身总长是 L身 = 780 mm。那么由 5-1 式可得： 身= L身 / S身 = 780 / 4750 = 0.165.1.3 机身外形的初步设计在机身外形的初步设计时，选取了四个控制截面，即机身最前端（由电动机的截面尺寸确定）翼盒段前后缘（机身的最大截面）及机身最后端（由尾翼的安装要求确定）。为了在机身制作时加工容易，其间的过渡全部采用直线过渡，由于飞机速度不高，这样并不会造成很大的阻力。5.2 机翼外形初步设计图 5-1 机翼平面 机翼是飞机上最为重要的部件，对飞机的飞行性能影响极大，同时与机身结构和飞机总体布局也有关系。机翼外形初步设计的主要任务是选择合适的翼型、确定机翼平面形状的几何参数、确定增升装置和副翼的几何参经测量机翼平面图如图5-2所示：5.3 尾翼外形初步设计尾翼的主要作用是保证全机的稳定性与操纵性，应根据设计要求中对飞机操稳性的规定来设计。尾翼的设计参数与飞机的形式及全机气动布局有关，但反过来，尾翼参数又会影响全机的气动外形，因此，尾翼的参数不可能一次确定。图 5-2 平尾平面图图 5-3 垂尾平面图5.4 起落架位置的确定材料选用 3mm 的钢丝。Happy Boy采用后三点式起落架，前起落架安装在机身加强框上，后起落架安装在尾部。之所以把主起落架安装在机翼上，主要是出于减重方面的考虑。根据经验，主轮距应为翼展的 1/41/3，即太大会增加机翼的结构重量，太小又难以满足地面滑跑时的横侧稳定性要求。如果主起落架装在机身上，则因外撇角过大而导致刚度不足，需要在两个起落架间拉一根钢丝，其总重量比直接装在机翼上还大，但由于起落架的跨度不大，所以不用加拉线。根据要求，主轮距的范围是：840 1/3 = 280 mm 至 840 1/4 = 210 mm经实际测量，Happy Boy 的主轮距是135 2 = 270 mm ，符合设计要求。5.5 操纵系统的初步设计操纵系统初步设计的主要任务是制定控制方案、选择舵机、合理布置舵机的位置。首先根据舵面上力的大小和舵面的重要性确定需要采用何种型号的舵机。选择舵机时主要考虑两个参数：体积，扭矩。舵机的尺寸愈大，它占的空间也愈大，重量也会增加，但体积小的舵机价格昂贵。舵机的扭矩愈大，它耗的电能愈大，同样价格昂贵。综合考虑体积控制方案拟定如下：控制方向舵和升降舵的舵机安装于机身翼盒中，2mm 钢丝制成的连杆操纵方向舵及升降舵上的摇臂，控制舵面的偏转。6 总体布置为了减轻结构重量，在操纵系统初步设计时已考虑将操纵方向舵和升降舵的两个舵机置于翼盒后端，这使得飞机重心后移，为了使飞机重心位置在一个合适的范围内变化，将重量较大的电池放到了机身翼盒前段。接收机，有效载荷安置于机身翼盒前段，这样可使得由于有效载荷的变化引起的全机重心位置移动量最小。7 结构设计机身受力主要有螺旋桨拉力、机翼机身接头传来的气动力、尾翼传来的气动力和内部装载物的重力，可近似等效成几个集中力进行分析。7.1 机身结构设计机身上的主要载荷是由与机身相连的其他部件（机翼、尾翼、动力装置、起落架）传给机身的集中力，因此，机身的结构设计时的首要任务就是要考虑如何承受来自其他部件的集中力并以较为合理的方式分散给机身上的各承力构件。7.1.1 电动机与机身连接的结构设计电动机是设计的Happy Boy遥控电动飞机带动螺旋桨产生拉力的动力装置，其产生的最大拉力大于 1000 克，它对机身的作用力主要是沿 X 轴的拉力和连接面的剪力。它与机身的连接方式如图 7-1 所示：图7-1 电动机与机身连接方式电机是固定在370减速组上的， 减速组通过一颗螺钉套在主梁上，主梁和机身通过强力胶与机身框架进行粘接，粘接点分别在图中的1，3处，由于考虑到主梁是承载这个飞机与电动机的连接部件，为了增加强度，可在图中2处增加一个薄板，主梁粘接在薄板上，薄板粘接在机身上。这样由原来的两点固定改为两点与一个平面共同固定，使强度增加，薄板是轻木材质，质量可忽略不计，所以不会增加飞机重量。图7-2 主梁与机身连接方式7.1.2 机翼与机身连接的结构设计机翼是飞机产生升力的主要部件，在我考虑的几种设计状态下，由于机动或者突风的影响，飞机的过载系数往往是大于 1 的，这就使得机翼传给机身的力往往是数倍于飞机本身的重量，为了携带方便，应将机翼设计成可拆卸的。航模飞机机翼的固定方式大致分为两种，一种是螺栓固定，另一种是橡皮筋固定。螺栓固定法可靠，结构复杂，重量大，安装麻烦；橡皮筋固定法结构简单适合小型飞机，安装方法简单。Happy Boy属于小型飞机，用橡皮筋完全能够满足要求，所以原机中机翼与机身通过橡皮筋固定。固定方式见图7-3所示，1，2为固定棒，贯穿于机身之中，3是橡皮筋两端套在固定棒上，沿机身轴线左右各一根，将机翼4稳定的固定在机身5上。图7-3 机翼固定方式示意图7.1.3 尾翼与机身连接的结构设计1 水平尾翼与机身的连接由于平尾上所受气动载荷较小，故在平尾与机身连接时将平尾直接胶结在机身尾段，其结构形式可见图 7-4。图 7-4 水平尾翼与机身的连接图2 垂直尾翼与机身连接的结构设计在垂尾的下缘设计了一根缘条，用以增大垂尾与机身尾段的接触面积，提高接触面的胶结强度。垂尾和机身的连接同样采取直接胶结的方式，如图 7-5 所示：图 7-5 垂尾与机身的连接图8 航模飞机的改进飞机的改进主要包括以下两个方面：1. 动力系统的改进2. 起落架的改进8.1 动力系统的改进原机配备的是370直流永磁电机，现在就这种电机介绍直流永磁电动机的特性8.1.1基本结构及工作原理航模所用的动力电机大部分为直流永磁电机，它的铁壳里有一对瓦形磁钢和一个转子。在转子上除了硅钢片铁芯和绕在它上面的线圈之外，还有一个圆柱形换向器。换向器由相互靠的很近而又相互绝缘的铜制换向片构成。换向片的数目同绕组的数目相等，通常为三个，称为三季式，高级电机也有五级和七级的，但不能为双数。电机外壳是用铁制成的，即起支架作用又可与瓦形磁钢一起形成磁回路。两块磁钢以不同的极性相对设置。转子线圈的每一组引出线首尾相连，形成封闭回路。每个街头又分别与对应的换向片相连接。电机的另一 重要部件是一对电刷，它依靠弹力压在换向器上，可以相互滑动。电机电源的正负极分别同这两个电刷相连，连通电源后整个转子（包括铁芯，线圈，换向器和转轴）就会转动起来当图a中电刷“+”与电刷“-”分别接通电源时，电流从正极通过电刷流到换向片3，然后分成两路：一路流经线圈3，换向片1和电刷“-”，流回电源负极；另一路经过线圈2，换向片2和电刷“-，流回电源负极。根据右手螺旋定则，可以判定电流在线圈2和线圈3中所形成的磁场极性如图1a所示。根据同性相斥，异性相吸的原则，线圈2和线圈3的磁场分别同电机的两块磁钢相互吸引和排斥，结果使转子向逆时针方向转动。途中1的两端所连接的换向片1，换向片2此时都与电刷“-”相连，因而没有电流流过，不产生磁场。当转子逆时针转过30之后，图形如图b所示。此时三个线圈都有电流流过，所产生的磁场如图中所标。它们同磁钢相互作用的结果会使转子继续逆时针转动。总之，只要接通电源电机轴将会沿逆时针方向不停地旋转；而若电源反接，电机将会向反方向转动。5级式和7级式电机原理和3级式是一样的。图8-1 直流永磁电机原理图 图 A 图 B8.1.2 常用铁氧体电机的品种规格及选用直流电机的磁钢材料有稀土磁钢和铁氧体两种，目前所用的大部分都是铁氧体磁钢。表中列出了我国常用的铁氧体电机的部分技术数据供参考。表8-1 铁氧体电机数据系列号540480370180130030外径（mm）35.727.724.4202015.3长度(mm)504730.8322518.8重量(g)145-17395-10444-5132-3317.5-22.510.5轴径(mm)3.172.32221.5适用电压V7.2-9.67.2-9.66-8.44.8-7.23.6-4.83.6-4.8最大电流A1512852.5-32540电机通常用于翼展1700-2000mm；重量在1000-1400g的大型电动滑翔机模型中，也可用在与此对应的电动模型飞机中。130电机适用于120克以下的小飞机上，180电机适用于240克以下的电动滑翔机等模型飞机。030电机属于更轻小的电机，一般用于超小型模型飞机上。原厂配备的就是表中所列370型号电机，它的外形尺寸同过去日本的280电机相同，但输出功率和工作效率都大有提高，重量也相对较轻。370电机常用于重量在380克左右的模型飞机上。这也是为什么厂家要配备这一型号电机的原因。8.1.3 改进措施目前，无刷电动机应用的十分广泛，它的优点在前章已经阐述，所以我的改进方法就是将原有的直流永磁电机改为外转子无刷电动机。8.1.3.1 无刷式直流电机的应用与原理其实，无刷电机与无刷电机电子调速器人们早就在工业领域运用了，但传统的无刷电机控制主要用霍尔传感器来为无刷电机作换相检测，而航模用无刷电机通常是不用传感器来检测电机换相的。我们称这种无刷电机为无感无刷电机。要驱动控制无感无刷电机按我们的需要运行起来，用传统的数字电路几乎无法实现，因为它的控制机理十分复杂，即使传统数字电路能够实现对无感无刷电机的运行控制，那也必然是一块几何尺寸和重量都相当可观的复杂装置，这样的话，它就显然不适合航模控制电路轻量化和小型化的要求。所以我们眼下看到的无感无刷电机电子调速控制器（业内俗称“无刷电调”）无一例外都是采用微处理器作为核心器件，通过相当复杂的动态计算来实现对无感无刷电机的调速控制的。在航模领域，用无刷电机代替传统的有刷电机之所以已成必然，是因为作为电动航模动力组的电机