火箭助推滑翔机 理论方案设计.doc

19 火箭助推滑翔机 理论方案设计 作品名称 绿慈逸云号滑翔机 学校名称 杭州电子科技大学信息工程学院 学生姓名 指导教师 联系电话 浙江省大学生力学竞赛 二零一四年十月 目 录 1 设计背景.3 2 设计任务.3 3 飞行原理.4 3.1 飞行升力.4 3.2 飞行阻力.5 3.3 影响飞行的升力和阻力的因素.6 4 设计方案.7 4.1 机身设计.7 4.2 机翼设计.7 4.2.1 机翼形状.7 4.2.2 展弦比.8 4.2.3 上反角.9 4.3 尾翼设计.95 最终方案.10 方案一.10 方案二.12 6 载荷分析.13 7 了解与制作过程.15 8 设计收获小结.17 9 参考文献.18 1 设 计 背 景 滑翔机是一种没有动力装置，重于空气的固定翼航空器。它可以由飞机拖曳起飞，也可用绞盘车或汽车牵引起飞，更初级的还可从高处的斜坡上下滑到空中。在无风情况下，滑翔机在下滑飞行中依靠自身重力的分量获得前进动力，这种损失高度的无动力下滑飞行称滑翔。在上升气流中，滑翔机可像老鹰展翅那样平飞或升高，通常称为翱翔。滑翔和翱翔是滑翔机的基本飞行方式。为了多方面培养大学生的创新思维和实践动手能力，激发大学生学习力学与相关专业知识的热情，活跃校园学术氛围，培养团队协作精神，促进浙江省高校大学生相互交流与学习，经研究决定举行浙江省第一届大学生力学竞赛。我队积极响应省与学校的号召，组队参加该模型飞机设计制作竞赛。 2 设计任务利用指定的材料，设计并制作火箭助推的滑翔机，利用飞行试验检验滑翔机在火箭推力（或者牵引力）和空气动力等载荷作用下的飞行性能。 a. 飞行过程中有明显的火箭和滑翔机的分离过程； b. 分离后滑翔机有明显的滑翔姿态并滑翔着陆； c. 分离后火箭飘带展开正常并完整飘落着陆； d.使飞行时间尽量长有较长的滑翔时间。 3 飞行原理 1、飞行升力： 由机翼产生，尾翼通常产生负升力，飞机其他部分产生的升力很小，一般不考虑。 从上图我们可以看到：空气流到机翼前缘，分成上、下两股气流，分别沿机翼上、下表面流过，在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼上表面比较凸出，流管较细，说明流速加快，压力降低。而机翼下表面，气流受阻挡作用，流管变粗，流速减慢，压力增大。这里我们就引用到了上述两个定理。于是机翼上、下表面出现了压力差，垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样重于空气的飞机借助机翼上获得的升力克服自身因地球引力形成的重力，从而翱翔在蓝天上了。 机翼的升力满足下列关系式： 其中： kg/ ,m/s , 2、飞行阻力： 1.摩擦阻力空气的物理特性之一就是粘性。当空气流过飞机表面时，由于粘性，空气同飞机表面发生摩擦，产生一个阻止飞机前进的力，这个力就是摩擦阻力。摩擦阻力的大小，决定于空气的粘性，飞机的表面状况，以及同空气相接触的飞机表面积。空气粘性越大、飞机表面越粗糙、飞机表面积越大,摩擦阻力就越大。 2.压差阻力人在逆风中行走，会感到阻力的作用，这就是一种压差阻力。这种由前后压力差形成的阻力叫压差阻力。飞机的机身、尾翼等部件都会产生压差阻力。 3.诱导阻力升力产生的同时还对飞机附加了一种阻力。这种因产生升力而诱导出来的阻力称为诱导阻力，是飞机为产生升力而付出的一种“代价”。其产生的过程较复杂这里就不在详诉。 4.干扰阻力它是飞机各部分之间因气流相互干扰而产生的一种额外阻力。这种阻力容易产生在机身和机翼、机身和尾翼、机翼和发动机短舱、机翼和副油箱之间。 以上四种阻力是对低速飞机而言，至于高速飞机，除了也有这些阻力外，还会产生波阻等其他阻力。 3、影响飞行的升力和阻力的因素： 1.迎角对升力和阻力的影响相对气流方向与翼弦所夹的角度叫迎角。在飞行速度等其它条件相同的情况下，得到最大升力的迎角，叫做临界迎角。在小于临界迎角范围内增大迎角，升力增大：超过临界临界迎角后，再增大迎角，升力反而减小。迎角增大，阻力也越大，迎角越大，阻力增加越多：超过临界迎角，阻力急剧增大。 2.飞行速度和空气密度对升力阻力的影响飞行速度越大升力、阻力越大。升力、阻力与飞行速度的平方成正比例，即速度增大到原来的两倍，升力和阻力增大到原来的四倍：速度增大到原来的三倍，胜利和阻力也会增大到原来的九倍。空气密度大，空气动力大，升力和阻力自然也大。空气密度增大为原来的两倍，升力和阻力也增大为原来的两倍，即升力和阻力与空气密度成正比例。 3，机翼面积，形状和表面质量对升力、阻力的影响机翼面积大，升力大，阻力也大。升力和阻力都与机翼面积的大小成正比例。机翼形状对升力、阻力有很大影响，从机翼切面形状的相对厚度、最大厚度位置、机翼平面形状、襟翼和前缘翼缝的位置到机翼结冰都对升力、阻力影响较大。还有飞机表面光滑与否对摩擦阻力也会有影响，飞机表面相对光滑，阻力相对也会较小，反之则大. 4 设计方案4.1机身设计由于所给材料是条长385mm的木材，为了使尾翼有一定角度的前俯，在不影响结构强度的前提下，在尾部磨出一个1-2度的斜面。又将本来粗糙的表面给磨光滑以减小空气阻力。把头部插进机头部分加工成适合机头孔状，方便组装，也有利于机头水平。4.2 机翼设计 4.2.1机翼形状 资料显示，飞机翼型有矩形机翼、椭圆形机翼、梯形机翼、后掠机翼、三角形机翼等翼型。由于材料大小和厚度限制，经过查找资料和理论计算，以及多次试验数据，经小组成员决定，采用矩形机翼外加梯形上翘副翼的形状，有利于滑翔机飞行稳定性和减小制作的难度。 4.2.2 展弦比 展弦比即机翼翼展和平均几何弦之比，常用以下公式表示： 这里l为机翼展长，b为几何弦长。因此它也可以表述成 =l/b=l2/S 翼展（机翼的长度）的平方除以机翼面积，如圆形机翼就是直径的平方除以圆面积，用以表现机翼相对的展张程度。展弦比还影响机翼产生的升力，如果机翼面积相同，那么只要飞机没有接近失速状态，在相同条件下展弦比大的机翼产生的升力也大，因而能减小飞机的起飞和降落滑跑距离和提高机动性。 经过查找文献我们得知展弦比在68合适，我们经过试验选择展弦比为7.73。4.2.3 上反角上反角是指机翼基准面和水平面的夹角，当机翼有扭转时，则是指扭转轴和水平面的夹角。上反角的作用是飞机飞行时如果出现侧滑现象时，迎向侧滑方向的一侧机翼的迎风面积以及迎角就会比另一侧机翼要大很多，这就会使飞机产生反向侧滑的力量，即达到迅速修正侧滑的目的。所以飞机的上反角是为了使飞机具备自动修正飞行姿态异常的功能而设计的。为增加飞机飞行时的稳定性，防止飞机侧滑翻滚，我们设计了上反角。但上反角过大会影响方向稳定性。经试验我们确定机翼上反角为14度，这个角度既能保证飞机的稳定性又能提供足够的升力。4.3 尾翼设计对于尾翼，我们采用倒T型尾，这种翼型最符合空气动力原理。水平尾翼形状同样为了减小阻力和便于计算而设计成梯形。（1） 水平尾翼面积尽量大一点，离机翼尽量远一点，这样可以使飞机的在发射角度较大水平速度较低的情况下仍能在最高处变为水平，然而又可以使飞机飞得更高更重要的是还能增加飞机的稳定性。（2） 垂直尾翼在满足稳定性要求的前提下我们设计成二分之一水平尾翼大小。 4.3.1水平尾翼 水平尾翼简称平尾，安装在机身后部，主要用于保持飞机在飞行中的稳定性和控制飞机的飞行姿态。能够使飞机在俯仰方向上（即飞机抬头或低头）具有静稳定性。 当飞机水平飞行时，水平面不会对飞机产生额外的力矩；而当飞机受到扰动抬头时，此时作用在水平面上的气动力就会产生一个使飞机低头的力矩，使飞机恢复到水平飞行姿态；同样，如果飞机低头，则水平面产生的力矩就会使飞机抬头，直至恢复水平飞行为止。 4.3.2垂直尾翼 垂直尾翼简称垂尾，也叫做立尾，安装在机身后部，其功能与水平尾翼类似，也是用来保持飞机在飞行中的稳定性和控制飞机的飞行姿态，不同的是垂直尾翼是使飞机在左右（偏航）方向具有一定的静稳定性，并控制飞机在左右（偏航）方向的运动。4.3.3尾翼设计方案为了使滑翔机能绕大圆圈环绕飞翔，增加飞行时间和保证不飞出比赛场地，我们把水平翼左倾1.5度，垂直翼保持垂直，并把尖角尽量磨圆，避免应力集中导致飞机容易损坏，且减少空气阻，引导空气流。 5 最终方案逸云一号方案： 5.1机身尺寸 长 ：380mm 高 ：7.5mm 宽 ：5 mm 5.2机翼尺寸 长 ：210mm 宽 ：60mm 平均厚度 ：2mm 5.3 尾翼尺寸 上底 ：20mm 下底 ：40mm 高 ：60mm 厚度 ：1mm如下图逸云二号方案： 5.1机身尺寸 长 ：380mm 高 ：7.5mm 宽 ：5 mm 5.2机翼尺寸 长 ：150mm 宽 ：60mm 平均厚度 ：2.5mm 5.3 尾翼尺寸 上底 ：20mm 下底 ：40mm 高 ：60mm 厚度 ：1mm如下图 6 载荷分析 经反复试验得知： 1.飞机在空中飞行过程中不会发生破坏。 2.几乎所有的飞机破坏过程发生在飞机着陆的瞬间。 3.发射过程中飞机火箭结合体的飞行路线受飞机机翼影响很大发射阶段：在飞机发射阶段，由于飞机处于有动力飞行阶段，飞机火箭结合体飞行速度最快，机翼升力达到最大值，而由于飞机时接近垂直状态，机翼升力导致产生一股水平方向的力，使飞机在垂直上升阶段同时产生水平位移导致飞行路线发生偏移，所以机翼升力不宜过大，机翼升力过大会产生很大的前进阻力，导致飞机发射高度不够，使飞行时间大打折扣。由于发射时机翼升力很大，发射角度也有一定的影响。脱离阶段：当飞机达到最高高度，火箭有脱离飞机的趋势，这是因为飞机到达最高处后，火箭燃料烧尽，向上推进力减小，飞机由于机头重量，慢慢趋于水平，而火箭由于重力垂直降落，结合钩脱钩，飞机与火箭分离。这时飞机由于机翼升力继续滑翔。所以，应结合结合钩形状来优化火箭，让火箭燃料用完时能摆平，头部在下，脱离飞机。着陆阶段：在飞机着陆的瞬间，由于飞机的加速度是很大的，也就导致了飞机的动载荷变得很大特别是在飞机前部分（离飞机较近的一端）需承受的载荷非常大。此过程可用“压杆稳定原理”进行分析。当飞机头朝下撞击地面时，飞机前段（自机头至机翼前缘）状态是：机头相当于固定铰支，机翼端为固定方向可左右移动端。当受动载荷挤压时有力学知识可知机翼端受弯曲变形最大受最大的弯曲应力。所以受力分析得知机翼前缘处最可能断裂，此结果与我们的试验结果相一致。 7了解与制作过程 参加这次比赛我们首先明确了的学习的目标，了解了飞机的飞行原理，即利用简单的桐木器材完成手掷滑翔机，达到基本的要求，体会空中运输系统及飞行器的设计不易，并对滑翔机的制作产生兴趣。 我们了解到，飞机必须以升力克服重力，以推力克服空气阻力才能飞行。飞机产生升力是借着机翼截面拱起的形状，当空气流经机翼时，上方的空气分子因在同一时间内要走的距离较长，所以跑得较下方的空气分子快，造成在机翼上方的气压会较下方低。如此，下方较高的气压就将飞机支撑着，而能浮在空气中。这就是所谓的伯努利（十八世纪荷兰出生，后来移居瑞士的数学与科学家）原理。 根据伯努利原理，飞机速度愈快，所产生的气压差（也就是升力）就会愈大，升力大过重于重力，飞机就会向上窜升。滑翔机没有引擎的动力，它可以靠四种方式升空(1)弹射器将滑翔机架设在弹力绳并向后拉，由驾驶员给予讯号后释放绳索而弹射出去。(2)汽车拖曳将滑翔机系绳于车上拖曳达适当高度后，驾驶员将绳索松开。(3)绞车拖曳与汽车拖曳相似，只是利用固定在地上以马达驱动的绞车来拉滑翔机。(4)飞机拖曳以另一部有动力的飞机拖至一定的高度后，滑翔机脱离而自由翱翔。 滑翔机升空后，除非碰到上升气流，否则空气阻力会逐渐减缓飞机的速度，升力就会愈来愈小，重力大於升力，飞机就会愈飞愈低，最後降落至地面。为了让滑翔机能飞得又远又久，它必需有很高的升力阻力比，这就是为什麼滑翔机的机翼那麼细长，如何突破滞空时间以及飞行高度的纪录是滑翔机设计与制造的最大挑战。滑翔是一种需要高度技巧与飞行知识，藉著自然能量遨游天空的运动。在完全了解设计背景，制作材料，制作步骤以及掌握了一些基本的滑翔机制作原理的条件下，我们组开始了制机之旅。 我们准备了相关材料，并绘制设计图样。依据设计图，利用美工刀裁切木条(作为机身用)及巴沙木(作为机翼及方向舵用)。 将材料用502胶组合成投掷滑翔机，在机首加上材料，以调整重心，将重心调整于适当位置后，经过不断的手掷试飞，观察滑翔机的飞翔姿态，飞翔时间，降落过程，从中查找其模型的缺点，优点。再把缺点拿出来讨论。分析造成缺点的原因，查找资料找出解决方法。经过一次一次不断地试验，我们组通过对展弦比，重心，压心位置的改变，尝试了不同机型的飞机，不断完善飞机的飞翔效果，提高滑翔时间，制作出最终的模型。随后我们开始了火箭的制作。根据制作说明提示的步骤，以及向学长们的讨教我们组员分工合作快速完成了火箭的制作，主要考虑到在炸药产生的一定力不变的情况下，要使滑翔机在空中滑翔的时间较长就得让火箭把滑翔机尽可能地送得高，在高空中分离。对于如何使得火箭升得更高这个问题，我们组员经过长期时间讨论，最后决定把箭体质量和箭头质量子在火箭升空中不损坏的情况下尽量减小。 8设计收获小结 通过制作飞机的过程我总结出了滑翔机的精髓是轻,巧,静,闲。 作为航模爱好者,经过多年的飞行,观察和琢磨,对不参加比赛的业余爱好者来说,我们悟出了滑翔机的精髓是轻,巧,静,闲。 轻-就是在有足够强度的情况下重量要轻,一些过于花梢的东西不要,尽量简单实用。可要可不要的坚决不要。 巧-气动布局和结构要巧,布局合理,结构聪明。从空气动力学和材料力学的角度考虑周到。结构简单,用材合理，制