水火箭无动力滑翔机设计

王晓翔 王中贺

摘要：随着航模运动的不断发展，以中国国际飞行器设计挑战赛为主的航模比赛获得了人们的极大的关注。本文主要研究如何设计一款在满足于竞赛要求的情况下拥有较高飞行性能的无动力滑翔机。

关键词：无动力;自主设计;满足竞赛要求;

1 设计要求

根据竞赛规则，模型水火箭需将无动力滑翔机带到一定的高度，水火箭与滑翔机分离，分离后水火箭以伞降方式落地，且留空时间大于10秒，滑翔机进行无动力滑翔飞行，在一定的时间内在指定范围着陆，最终以滑翔机留空时间和着陆定点距离来计算滑翔机部分得分。通过多次发射数据得到：滑翔机达到40米高度最佳，这就要求我们在设计滑翔机时要平衡强度和质量的关系，减小上升过程中的阻力，以及如何保证飞机以较低的下沉率滑翔，同时要保证滑翔机在空中的稳定性以及操纵性，在满足以上条件后还要考虑滑翔机和水火箭在整个发射过程中的有效配合，减小滑翔机对于箭体的不利影响。有了初步的设计要求后，结合相关书籍以及平常积累的设计电动滑翔机的经验，对滑翔机的设计作出了定型。

2 滑翔机机翼设计

2.1机翼翼型选择

通过对滑翔机飞行状态的分析，我们认为本项目滑翔机机翼翼型要基本满足以下条件：（1）低速的条件下有足够的升力，且在一定的迎角变化范围内升阻比变化幅度较小。（2）考虑到环境因素，尤其是风对飞行的影响飞机翼型要有一定的穿透性。（3）为减少滑翔机对水火箭的不利气动影响，机翼应选用阻力小的翼型。

根据以上条件在翼型库中选取出AG27、CLARK Y、MH32、MH46、MH18集中翼型进行分析，其中雷诺数选取200000，主要观察迎角范围-10°-15°，经过计算得到MH32翼型符合条件，因此选择MH32翼型为滑翔机机翼翼型，且在4°左右翼型处于最大升阻比状态，机翼安装角设定在4°。

2.2机翼外形参数

机翼设计的第一步要确定机翼的平面形状，考虑到制作时间以及制作难度，机翼平面形状采用梯形机翼。机翼翼展确定为1m，翼根弦长Cr 为170mm，翼尖弦长Ct为150mm，经计算展弦比λ为6.25。为使滑翔机拥有更好的横侧稳定性，为滑翔机机翼加装了上反角，经过机翼分析软件对几种上反角角度进行比对分析，最终将上反角设定在6°。

机翼几何数据：机翼翼展：Lw=1m;机翼投影面积：Sw=0.159m2;后掠角：A=1.72°;上反角：ψ=6°;展弦比：λ=6.25;根梢比：n==1.13。

2.3 机翼结构设计

机翼的整体要求有较高的结构强度以应对在火箭发射瞬间的冲击力，同时机翼的重量要尽可能的减轻。由于机翼后缘与火箭投放机构接触，在发射时会受到一定的冲击力，因此选择将机翼后缘缘条加宽。翼梁结构采用双层板对插的方式，在保證机翼强度的同时也减小了制作难度。前缘使用碳棒进行固定。（机翼结构图，如图1）

3 滑翔机尾翼设计

3.1 滑翔机水平尾翼设计

滑翔机在飞行过程中水平尾翼用于保证俯仰稳定性以及控制飞行时的俯仰姿态。对于水平尾翼的设计，平尾尾容量是设计的主要因素。

按公式计算：

式中：水平尾翼面积：SHT=0.028m2;尾力臂：lHT=0.385m;机翼面积：SW=0.159m2;平均气动弦长：CA=0.16m

计算得：VHT=0.423

为减轻飞机重量且减少制作方面的难度平尾直接使用4mm轻木板切割制作。

3.2 滑翔机垂直尾翼设计

为保证滑翔机的稳定性，飞行过程中主要通过方向舵来控制飞机转弯，垂直尾翼保证其方向稳定性、使其拥有良好的侧风飞行能力。

按下式计算：

式中：垂直尾翼面积：SVT=0.015m2;尾力臂lVT=0.49m;机翼面积SW=0.159m2;机翼翼展：LW=1m

计算得：VVT=0.046

由于滑翔机是机翼上表面紧挨箭体安装，若采用常规的垂尾安装方法，垂尾将与箭体接触，容易在发射时产生碰撞导致垂尾损坏，因此垂直尾翼使用反装及垂直尾翼翼面在机翼下的方式，这样不仅防止在发射时垂尾损坏，还使滑翔机垂直尾翼充当了水火箭尾翼起到了稳定火箭飞行的作用。

由于在降落时垂直尾翼会接触地面，垂尾材料就要求要有足够的强度，垂尾选用2mm层板进行切割制作。

4 滑翔机飞行试验

在制作完第一架试验机后，采用从高处手抛的方式来测试滑翔机操纵性能和稳定性能是否达到设计值，之后再将飞机安装在水火箭上进行发射试验以测试滑翔机留空时间是否满足比赛要求。

在滑翔机高度达到40米高度左右后，进行无动力滑翔，留空时间可达到148秒，完全满足比赛需求，且飞机的稳定性良好，很大程度地降低了飞手的操纵难度。经多次飞行试验得出结论：滑翔机性能表现良好，各项指标都达到设计预期效果。（图2为飞机等轴测视图）

5 结语

经过推算，当展弦比增大到10时，飞机的滑翔性能会进一步提升，但考虑到飞机飞行阻力、结构强度以及发射冲力等因素，因此采用相对合适的小展弦比的方案。

参考文献：

[1]《飞机设计手册》总编委会编.《飞机设计手册》第 9 册·载荷、强度和刚度[M].北京：航空工业出版社，2000.

[2]《飞机设计手册》总编委会编.《飞机设计手册》第10册·结构设计[M].北京：航空工业出版社，2000.