国外大学生航空模型挑战赛的经验谈.doc

国外大学生航空模型挑战赛的经验谈 　　从国内大学生科研类锦标赛的强者，成为美国SAE航空设计大赛高级组的冠军，到赢得欧洲ACC2013大学生航模载重挑战赛的季军，北航航模队历时2年，逐步完成了从“国内一流”到“世界一流”的华丽蜕变。上期重点介绍了北航航模队参加ACC2013的比赛经历，本期将分享参加世界大学生航模载重比赛的一些经验与见闻，并希望能与国内各高校航模队一起探讨，共同促进中国大学生科研类航空航天锦标赛的发展。 　　SAE航空设计大赛 　　美国东部时间2012年4月27日，北京航空航天大学代表队参加了在美国亚特兰大市举办的SAE国际航空设计大赛（SAE Aero Design Competition），与来自美国、加拿大、巴西、波兰等国的大学生代表队展开激烈角逐，最终获得高级组冠军。这次比赛经历为之后的欧洲大学生航模载重挑战赛积累了不少经验。 　　SAE航空设计大赛高级组的比赛规则是：参赛模型飞机须搭载重物滑跑起飞，并在完成至少一个闭合航线后安全降落；且所选模型须是61级及以下的油动固定翼模型飞机；翼展不限，但起飞重量（模型与载重物之和）不得大于24.9kg。模型所载重物越重、起降滑跑距离越短者，飞行分数越高。参赛队须自行设计测量起降距离的装置，视其测量精度给予评分，并计入总成绩。每轮飞行准备时间为5min。 　　根据这些规则，在设计时我们认为，应根据自身情况，合理分配空机重量与载重量的比值：若机体设计得过重，虽然结构强度足够，但其载重量减少，飞行分数低；若机体设计得过轻，虽然能增加载重量，但其结构强度与所载重量不相匹配，得分依然不高，因此不仅得合理分配空机自重与载重物比例，还要使模型飞机的强度与所载重量相匹配，才有希望胜出。 　　最终我们的参赛机（图1）采用双尾撑常规布局、三段式机翼、翼展5.4m、空机5.8kg，最大载重量24kg。其中机翼采用单梁式结构，左、右翼通过金属接头与中段连接。机翼的展弦比约为12，以兼顾诱导阻力和结构重量；根梢比接近2.5，以使升力分布接近椭圆分布。所选用的低雷诺数层流翼型，其弯度和厚度分别在5%～7%和11%～14%的范围内，升阻比高、失速特性好、结构效率高。模型飞机的动力组则由2个发动机（图2）串联组成，采用前拉后推的安装形式来抵消二者的反扭矩。发动机、燃油和载重舱集中被安放在机身中、前端，不但可减轻结构重量，也可减小转动惯量。设计让模型飞机在起飞阶段使用襟翼增升，在降落阶段使用襟翼与主轮同步刹车，有效地缩短了起降距离。在设计起降测距装置（图3）时，采用了光电开关测量轮上减轻孔的遮挡次数，从而通过简单算法便可得到机轮转数和起降距离。 　　由于准备时间和人力有限，还大量借鉴了国内载重比赛模型的设计。参赛机的外翼及尾撑部分都直接由3kg载重模型飞机改装而来，起落架则直接采用了5kg载重模型飞机的设计。在试飞阶段，我们使用“老鹰树”记录模型的高度、速度等飞行数据，与设计参数对比后反复进行气动优化，最终达到了设计初衷。 　　ACC2013欧洲大学生 　　航模载重挑战赛 　　有了SAE航空设计大赛的经验，在准备ACC欧洲大学生航模载重挑战赛时我们更有信心。不过这两场竞赛的要求不一样。ACC2013的比赛规则是：模型飞机须安装大赛指定电机且最大电流不得超过40A；不限定空重，但要求整机能被装入1个1 000mm×400mm×400mm的箱子中。在这样的限制下，模型飞机须得载运尽可能多的钢板在60m内滑跑离地，然后完成一个封闭航线飞行并在长120m的指定区域内着陆。而且需要设计一套可在2min内（用时越短奖励分数越高）快速装载钢板的系统。为保证飞行安全，模型飞机在每轮起飞前还须通过非常严酷的机翼静力测试，即完成装载后，用手抬两端翼尖让其离地超过5s。根据模拟计算，此时翼根弯矩约为平飞时的2.5倍。这些设计要求，虽然与国内科研类航空航天模型比赛的1kg载运项目类似，但由于模型飞机不允许使用动力减速器、限定了起降滑跑距离、要求重载着陆、须做静力测试，因此对其结构设计要求更高，比赛难度大大增加。 　　针对上述要求，我们最终设计了2种形式的布局，一种为前拉式常规布局（图5），另一种为后推式双尾撑倒置垂尾的“仙鹤”布局（图6）。2种布局的模型飞机使用相同的机翼、载重舱和起落架设计，以减少系统工作量及成本。 　　在气动设计方面，我们首先将短距起飞及爬升率作为重点，以升阻比和功率因数为核心参数初步选择了机翼平面参数和翼型；然后结合经验设计方法，第一次使用了XFLR5软件做参考分析（图7），确定了机翼平面参数并评估了其气动性能；选择了S1223低雷诺数湍流翼型，并稍加修改了其后缘弯度以达到减阻增升目的。综合考虑后，又增加了襟翼以保证模型飞机滑跑时机翼小弯度低阻力，起飞时大弯度大升力。