怎样设计一架航模飞机
怎样设计一架航模飞机 This manuscript was revised by JIEK MA on December 15th, 2012.
怎样设计一架航模飞机
按照现成的图纸制作一架模型飞机，不是一件太难的事。但是，如果根据您的需要自己设计制作一架飞机，恐怕就具有一定的挑战性了。当您要下手设计制作时，会遇到很多需要解决的问题。如：为什么要选用这个翼型、翼展和翼弦是怎么确定的、机身长度应该是多少、尾翼的面积需要多大、各部件的位置应该放在哪里等等。好在现在的由有关书籍较多，只要认真学习归纳，就能找到答案。
第一步，整体设计。
1。确定翼型。我们要根据模型飞机的不同用途去选择不同的翼型。翼型很多，好几千种。但归纳起来，飞机的翼型大致分为三种。一是平凸翼型，这种翼型的特点是升力大，尤其是低速飞行时。不过，阻力中庸，且不太适合倒飞。这种翼型主要应用在练习机和像真机上。二是双凸翼型。其中双凸对称翼型的特点是在有一定迎角下产生升力，零度迎角时不产生升力。飞机在正飞和到飞时的机头俯仰变化不大。这种翼型主要应用在特技机上。三是XXXXX翼型。这种翼型升力较大，尤其是在慢速时升力表现较其它翼型优异，但阻力也较大。这种翼型主要应用在滑翔机上和特种飞机上。另外，机翼的厚度也是有讲究的。同一个翼型，厚度大的低速升力大，不过阻力也较大。厚度小的低速升力小，不过阻力也较小。因为我做的是练习机，那就选用经典的平凸翼型克拉克Y 了。因伟哥有一定飞行基础，速度可以快一些，所以我选的厚度是12%的翼型。
实际上就选用翼型而言，它是一个比较复杂、技术含量较高的问题。其基本确定思路是：根据飞行高度、翼弦、飞行速度等参数来确定该飞机所需的雷诺数，再根据相应的雷诺数和您的机型找出合适的翼型。还有，很多真飞机的翼型并不能直接用于模型飞机，等等。这个问题在这就不详述了。
机翼常见的形状又分为：矩形翼、后掠翼、三角翼和纺锤翼（椭圆翼）。
矩形翼结构简单，制作容易，但是重量较大，适合于低速飞行。后掠翼从翼根到翼梢有渐变，结构复杂，制作也有一定难度。后掠的另一个作用是能在机翼安装角为0度时，产生上反1-2度的上反效果。三角翼制作复杂，翼尖的攻角不好做准确，翼根受力大，根部要做特别加强。这种机翼主要用在高速飞机上。纺锤翼的受力比较均匀，制作难度也不小，这种机翼主要用在像真机上。因为我做的是练习机，就选择制作简单的矩形翼。
翼梢的处理。由于机翼下面的压力大于机翼上面的压力，在翼梢处，从下到上就形成了涡流，这种涡流在翼梢处产生诱导阻力，使升力和发动机功率都会受到损失。为了减少翼梢涡流的影响，人们采取改变翼梢形状的办法来解决它。一般方法有三种，如图。
因为我做的是练习机，翼载荷小，损失些升力和发动机功率不影响大局，所以，我的翼梢没有作处理。
2。确定机翼的面积。模型飞机能不能飞起来，好不好飞，起飞降落速度快不快，翼载荷非常重要。一般讲，滑翔机的翼载荷在35克/平方分米以下，普通固定翼飞机的翼载
荷为35-100克/平方分米，像真机的翼载荷在100克/平方分米，甚至更多。我选择60克/平方分米的翼载荷。40级的练习机一般全重为公斤左右。又因为考虑到方便携带和便于制作，翼展定为1500毫米。那么，整个机翼的面积应该为405000平方毫米。通过计算，得出弦长为270毫米。还有，普通固定翼飞机的展弦比应在5-6之间。通过验算得知，这个弦长在规定的范围之内。
3．确定副翼的面积。机翼的尺寸确定后，就该算出副翼的面积了。副翼面积应占机翼面积的20%左右,其长度应为机翼的30-80%之间。因为是练习机，不需要太灵敏，我选15%。因为我用一个舵机带动左右两个副翼，所以副翼的长度要达到翼展的90%左右。通过计算，该机的副翼面积因为60750平方毫米，那么，一边副翼的面积就是30375平方毫米。
4．确定机翼安装角。以飞机拉力轴线为基准, 机翼的翼弦线与拉力轴线的夹角就是机翼安装角。机翼安装角应在正0 -3度之间。机翼设计安装角的目的，是为了为使飞机在低速下有较高的升力。设计时要不要安装角，主要看飞机的翼型和翼载荷。有的翼型有安装角才能产生升力，如双凸对称翼。但是，大部分不用安装角就能产生升力。翼载荷较大的飞机，为了保证飞机在起飞着陆和慢速度飞行时有较大的升力，需要设计安装角。任何事物都是一分为二的，设计有安装角的飞机，飞行阻力大，会消耗一部分发动机功率。安装角超过6度以上的，更要小心，在慢速爬升和转弯的的情况下，很容易进入失速。像我的这种平凸翼型，可产生较大的升力，翼载荷又小，不用设计安装角。如果非要设计安装角的话，会造成飞机起飞后自动爬高。
4．确定机翼上反角。机翼的上反角，是为了保证飞机横向的稳定性。有上反角的飞机，当机翼副翼不起作用时还能用方向舵转弯。上反角越大，飞机的横向稳定性就越好，反之就越差。如图。
但是，上反角也有它的两面性。飞机横向太稳定了，反而不利于快速横滚，这恰恰又是特技机所不需要的。所以，一般特技机采取0度上反角。因我做的是练习机，以横向稳定性为希望，所以我选择了3度上反角。
5．确定重心位置。重心的确定非常重要，重心太靠前，飞机就头沉，起飞降落抬头困难。同时，飞行中因需大量的升降舵来配平，也消耗了大量动力。重心太靠后的话，俯仰太灵敏，不易操作，甚至造成俯仰过度。一般飞机的重心在机翼前缘后的25~30%平均气动弦长处。特技机27~40%。在允许范围内，重心适当靠前，飞机比较稳定。
6．确定机身长度。翼展和机身的比例一般是70--80%。我选80%。那么机身的长度就确定为1200毫米。
7．确定机头的长度。机头的长度(指机翼前缘到螺旋浆后平面的之间的距离),等于或小于翼展的15%。我选定15%，即为225毫米。
8．确定垂直尾翼的面积。垂直尾翼是用来保证飞机的纵向稳定性的。垂直尾翼面积越大，纵向稳定性越好。当然，垂直尾翼面积的大小，还要以飞机的速度而定。速度大的飞机，垂直尾翼面积越大，反之就小。垂直尾翼面积占机翼的10%。因为我的是练习机，飞行速度不高，垂尾的面积可以小一些，我选9%。通过计算，垂直尾翼面积应为
36450平方毫米。在保证垂直尾翼面积的基础上，垂直尾翼的形状，根据自己的喜好可自行设计。
9．确定方向舵的面积。方向舵面积约为垂直尾翼面积的25%。通过计算得出方向舵的面积约为9113平方毫米。如果是特技机，方向舵面积可增大。
10．确定水平尾翼的翼型和面积。水平尾翼对整架飞机来说，也是一个很重要的问题。我们有必要先搞清常规布局飞机的气动配平原理。如图。
形象地讲，飞机在空中的气动平衡就像一个人挑水。肩膀是飞机升力的总焦点，重心就是前面的水桶，水平尾翼就是后面的水桶。升力的总焦点不随飞机迎角的变化而变化，永远固定在一个点上。首先，重心是在升力总焦点的前部，所以它起的作用是起低头力矩。由此可知，水平尾翼和机翼的功能恰恰相反，它是用来产生负升力的，所以它起的作用是抬头力矩，以达到飞机配平的目的。由此可知，水平尾翼只能采用双凸对称翼型和平板翼型，不能采用有升力平凸翼型。水平尾翼的面积应为机翼面积的20-25%。我选定22%，计算后得出水平尾翼的面积为89100平方毫米。同时要注意，水平尾翼的宽度约等于个机翼的弦长。
11．确定升降舵面积。升降舵的面积约为水平尾翼积的20-25%。因为是练习机升降不需要太灵敏，我选定20%。通过计算得出升降舵面积约为17820平方毫米。如果是特技机，升降舵面积可增大。
12。确定水平尾翼的安装位置。从机翼前缘到水平尾翼之间的距离（就是尾力臂的长度）,大致等于翼弦长的3倍。此距离短时,操纵时反应灵敏，但是俯仰不精确。此距离长时,操纵反应稍慢，但俯仰较精确。F3A的机身长度大于翼展就是这个理论的实际应用,它的目的主要是为了精确。因为我的是练习机，可以短一些，我选倍。那么，水平尾翼前缘应安装在距机翼前缘的785毫米处。
垂直尾翼、水平尾翼和尾力臂这三个要素合起来，就是“尾容量”。尾容量的大小，是说它对飞机的稳定和姿态变化贡献的大小。这个问题我们用真飞机来说明一下。像米格15和F16高速飞行的飞机，为了保证在高速飞行时的纵向稳定，其垂直尾翼设计得又大又高。像SU27和F18甚至设计成双垂直尾翼。而像运输机和客机，垂直尾翼就小得多。
13．确定起落架。一般飞机的起落架分前三点和后三点两种。前三点起落架，起飞降落时方向容易控制。但着陆粗暴时很容易损坏起落架，转弯速度较快时容易向一边侧翻，导致机翼和螺旋桨受损。后三点虽然在起飞降落时的方向控不如前三点好。但是其它方面较前三点都好。尤其是它能承受粗暴着陆，大大增加了初学者的信心。所以，我选用后三点。前起落架的安装位置一定要在飞机的重心前8公分左右，以免滑跑时折跟头。
14．确定发动机。一般讲，滑翔机的功重比为左右。普通飞机的功重比为—1左右。特技机功重比大于1以上。我的练习机就不用计算了，根据经验选用三叶40、46发动机。安装发动机时，要有向下和向右安装角，以解决螺旋桨的滑流对飞机模型左偏航和
高速飞行时因升力增大引起飞机模型抬头的影响。其方法是以拉力轴线为基准，从后往前看，发动机应有右拉2度，下拉度的安装角。当然，根据飞机的不同，这个角度还要根据飞行中的实际情况作进一步的调整。
就功重比而言，我们的航模飞机与真飞机有着很大的不同。我们航模的功重比都能轻松的达到1，而真飞机的功重比大都在至之间，唯有高性能战斗机才能接近或超过1。这也就是说，我们在飞航模中很多飞行都是在临界失速和不严重的失速的情况下飞行的，如低速度下的急转弯、急上升、吊机等。只是由于发动机的拉力大，把失速这一情况掩盖罢了。所以我们在飞航模时，很少能飞出真飞机那种感觉。这也是我们很多朋友在飞像真机时，很容易出现失速坠机的主要原因。
第二步，绘制三面图
根据上面的设计和计算结果，我们就可以绘制出自己需要的飞机了。绘制三面图的主要目的是为了得到您想要的飞机效果，并确定每个部件的形状和位置。使您在以后的工作中，有一个基本的蓝图。我绘制的飞机不是很好看，侧重了简单、实用、制作容易的指导思想。绘三面图时，我试着边学边用了SolidWorks，它和AUTO CAD是同一个类型的软件，但这个绘图软件更加简单易用。
第三步，绘制结构图
绘制结构图的主要目的是为了确定每个部件的布局和制作步骤。如：哪个部件用什么材料，先做哪个部件后作哪个部件，部件与部件的结合方法等等。如果您胸有成竹，这一步可以省略。
第四步，放样和组装。
根据您绘制的图纸，应做一比一的放样图。目的是在组装飞机各部件时，在放样图上粘接各部件。这样能做到直观准确，提高工作质量。网上有很多介绍制作方面的精品文章，大家可以参考，我就不再赘述了。
我重点向朋友们讲讲在制作过程中，机翼和水平尾翼安装角的控制。安装角的正确与否，关系到飞机在空中的姿态能否有效地操控。如果因安装角误差大到连各舵面都无法调整时，后果就非常严重了，甚至要摔机的。机翼和水平尾翼的安装角都是以飞机的拉力轴线为基准的，这架飞机的拉力轴线比较好找，从图可知，A、F、G、H隔框的上边在一条直线上，这条线就是拉力轴线的平行线，把它平移到发动机的曲轴线的位置，就是这架飞机的拉力轴线。机身骨架做完后，一定把它画在机身上。尔后，在安装机翼和水平尾翼时，把它们的中心线和拉力轴线平行即可。好了，请看我的制作过程。
第五步，试飞。
试飞时，应选择风力较小的天气。先在地面上多滑跑几圈，不要急于上天，发现问题及时解决。我的首飞有一个问题，机翼的安装角约有正3度的误差，导致飞机起飞后自动爬高，升降舵微调调到底，还要推杆才能平飞。降落后我加高了翼台后部，最后解决了问题。总的说首飞还算成功，达到了设计要求。