室內(nèi)微小飛機(jī)設(shè)計方案

1、微小飛行器設(shè)計方案報告 “小平機(jī)”組設(shè)計方案介紹第二組：朱彥成郭子豪游中華鄭昊目錄設(shè)計概述3動力測試4飛機(jī)外形設(shè)計11氣動性能分析19控制系統(tǒng)與性能分析23設(shè)計總結(jié)30一、設(shè)計概述本次實習(xí)的第二階段的重心是卡通人物飛機(jī)的設(shè)計與制作。按照事先的小組安排，每個小組都要做一個國家領(lǐng)導(dǎo)人形象的卡通飛機(jī)，我們小組選的是“鄧小平”。設(shè)計一個卡通形象造型的小飛機(jī)并不容易，因為卡通形象并不會按照符合氣動布局的形象出現(xiàn)，因此必須設(shè)計合適的卡通形象以使之在飛行過程中具有足夠的升力和穩(wěn)定性。我們的設(shè)計采用的是上一屆學(xué)長制作的十二生肖樣機(jī)類似的氣動布局，而鄧小平的卡通形象采用了自己設(shè)計的類似于陶瓷人偶的卡通圖片。如下

2、圖所示：我們的“鄧小平”原型二、動力系統(tǒng)測試要確保設(shè)計的飛機(jī)能飛起來首先要確定飛機(jī)具有足夠強(qiáng)勁的動力系統(tǒng)，因此需要做飛機(jī)動力實驗。“鄧小平機(jī)”選用的動力系統(tǒng)配件有：1805無刷電機(jī)/EP5030槳動力系統(tǒng)： 直徑18mm長5mm的1805無刷電機(jī)是近年來經(jīng)常被廣泛使用的一種小型無刷電機(jī)，通常被用作超輕型室內(nèi)微小飛機(jī)的動力；市面上和它匹配的減速組最常見的為9:48，螺旋槳為EP5030，減速組重3.66克，減速組和螺旋槳之間通過一個銅適配器和皮筋連接。這種動力組所使用的能源為7.4V的450mah可充電鋰電池。1. 測試目的掌握微小型飛行器動力系統(tǒng)拉力和轉(zhuǎn)速等參數(shù)的測量方法，掌握螺旋槳拉力參數(shù)隨

3、轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，并為“飛猴”飛機(jī)測得詳細(xì)動力參數(shù) 2. 發(fā)動機(jī)靜拉力（或靜推力）確定方法l 經(jīng)驗公式法螺旋槳的靜拉力（或靜推力）可以通過近似計算式來估算。這里我們首先介紹的是著名的艾伯特公式： T6.8x10-15´P´D3´n2 （1）式中，T為靜拉力（或推力），單位：克；P為螺旋槳的螺距，單位：毫米；D為螺旋槳的直徑，單位：毫米；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)數(shù)，單位：轉(zhuǎn)分。 上述艾伯特公式中，螺距P、直徑D數(shù)據(jù)螺旋槳上通常都是標(biāo)注的。對于有KV值的小無刷電機(jī)，可根據(jù)接收機(jī)額定電壓乘以KV值，大致估算出螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)n；對于KV值不詳?shù)男o刷電機(jī)以及一些小的有刷電機(jī)（如空心杯

4、電機(jī)），可以按照常規(guī)電動航模相同的連接方法，將電機(jī)/接收機(jī)/電池連接起來（對于無刷電機(jī)，還需要連接相應(yīng)的電調(diào)），然后通電，并用數(shù)字式激光轉(zhuǎn)速儀測得滿油門下發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。注意：艾伯特公式只是經(jīng)驗公式，該公式推導(dǎo)過程中大大簡化了槳葉形狀等因素，有時會與實測數(shù)據(jù)有很大出入，尤其對于微型機(jī)的螺旋槳更甚。除了艾伯特公式外，許多網(wǎng)友還將各種螺旋槳靜拉力（或推力）的經(jīng)驗公式開發(fā)成小軟件，譬如圖2某螺旋槳靜拉力（或靜推力）計算器界面l 實驗測試法對于室內(nèi)飛機(jī)拉力的實驗測試，目前普遍采用杠桿原理。圖3顯示的是同濟(jì)大學(xué)學(xué)生基于杠桿原理制作的一個簡易的小飛機(jī)發(fā)動機(jī)拉力（或推力）測試裝置。該裝置的AOB搖臂中，O點鉸

5、支在測試臺底板上，A點固接電機(jī)/減速組/螺旋槳（電機(jī)直驅(qū)時無減速組），B點下方放置一數(shù)字式電子臺秤；力臂AO在長度上約等于OB；給A點的動力裝置接上電池（這里，我們用穩(wěn)壓電源代替；對于無刷電機(jī)，還需要接上相應(yīng)的電調(diào)、接收機(jī)等）后，推滿遙控油門，發(fā)動機(jī)就會產(chǎn)生向右的水平拉力。該拉力通過AOB搖臂，在B點處將壓力傳給電子秤，電子秤上可直接讀出具體的發(fā)動機(jī)拉力大小數(shù)據(jù)。圖3小飛機(jī)發(fā)動機(jī)拉力（或推力）測試裝3. 實驗內(nèi)容測試同一螺旋槳的拉力隨轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的變化趨勢；并測試電動機(jī)拉力大小隨螺旋槳參數(shù)和轉(zhuǎn)速的變化趨勢。 4. 實驗儀器、設(shè)備微小型飛行器動力系統(tǒng)綜合測試平臺電子秤 電子風(fēng)速

6、儀 電風(fēng)扇（風(fēng)源）數(shù)字式激光轉(zhuǎn)速儀該測試系統(tǒng)主要由臺架主體、油門伺服系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)幾部分組成。臺架主體用以安裝待測動力系統(tǒng)，采用搖床式結(jié)構(gòu)。油門伺服系統(tǒng)用以精確控制發(fā)動機(jī)油門，由步進(jìn)電機(jī)、控制器、驅(qū)動器組成。測試系統(tǒng)能自動采集數(shù)據(jù)、自動處理數(shù)據(jù)、自動生成試驗報告，可以進(jìn)行轉(zhuǎn)速、推力（拉力）、扭矩、耗油率等參數(shù)的測量。顯示系統(tǒng)由各傳感器對應(yīng)的二次儀表及伺服系統(tǒng)控制器組成，可以直觀地讀數(shù)，同時可以供計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。4. 實驗操作步驟A. 先連接電機(jī)、接收器與螺旋槳，將飛行器遙控器的動力推桿退回至無推力的狀態(tài)，將電風(fēng)扇先關(guān)閉；B. 設(shè)置飛行器遙控器與接收器，將遙控器與接

7、收器正確配對；C. 在沒有載荷的情況下將電子秤的示數(shù)清零D將電風(fēng)扇打開，調(diào)整風(fēng)扇與測試平臺的距離，E將遙控器操縱桿推至最上面的位置，使電機(jī)以最大功率帶動螺旋槳，測量螺旋槳處的風(fēng)速，并記錄下此時電子天平的讀數(shù)；F. 取得讀數(shù)后關(guān)閉電風(fēng)扇和電機(jī)，并卸下電子秤上的載荷。重復(fù)上述C-F步驟，測量風(fēng)速不同位置的讀數(shù)整理后得下表：實驗序號123456風(fēng)速m/s01.31.92.53.54.0螺旋槳轉(zhuǎn)速rpm995998309233884286658578拉力g105.4102.790.683.179.878.25.實驗數(shù)據(jù)分析及總結(jié)將上表中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入OriginPro軟件中并加以整理后得如下圖表：縱坐標(biāo)

8、轉(zhuǎn)速 單位r/min 橫坐標(biāo) 風(fēng)速 單位 m/s縱坐標(biāo) 拉力 單位 g 橫坐標(biāo) 風(fēng)速 單位 m/s觀察后得出如下結(jié)論：1）在05m/s速度的風(fēng)的吹拂下，螺旋槳的轉(zhuǎn)數(shù)在8500rpm10000rpm范圍波動；2）在飛行過程中，螺旋槳的拉力會稍微下降；本次實驗的室內(nèi)小飛機(jī)動力裝置拉力為105.4g，但在4m/s的飛行速度下，拉力卻下降為78.2g。3）盡管艾伯特公式主要適用于更大型的螺旋槳，此處仍然用該公式對拉力T估算。 4）數(shù)據(jù)采集時螺旋槳已達(dá)到最大轉(zhuǎn)速。三、 飛機(jī)外形的設(shè)計（含CAD設(shè)計）1. 機(jī)翼圖案的選擇與設(shè)計作為第二組，我們選擇的自然是以鄧小平為原型的卡通圖案。經(jīng)過網(wǎng)上搜索與選取，我們初

9、步?jīng)Q定以以下這個圖片中鄧小平卡通圖案作為設(shè)計的參考藍(lán)本設(shè)計機(jī)翼圖案。 圖為初版機(jī)翼圖案設(shè)計的參考藍(lán)本由于鄧小平同志的卡通肖像較少，我們按參考圖案的特征，自行設(shè)計了一張卡通人物圖像。在決定好基本圖案之后，我們使用AutoCAD軟件進(jìn)行了圖案的重新繪制與優(yōu)化，使用對稱工具，得到了鄧小平卡通圖案的閉合外部輪廓圖，如下圖所示。 圖為初版圖案繪制的外部輪廓圖接下來在對圖案的外邊輪廓重新繪制之后，得到了AutoCAD機(jī)翼的雛形。然而我們還有很多的優(yōu)化問題需要解決。下圖為初步繪制的矢量圖。之后我們對這原來參考圖案的不足進(jìn)行了分析與改進(jìn)：（a） 展弦比太小 由于是卡通人物肖像，所以高和寬的比例接近人體的比例，

10、但是這不利于飛機(jī)的飛行。所以，我們將人物變寬變胖，盡可能的增大展弦比，同時又不失去卡通形象的特征。（b） 雙手部分邊界不平滑卡通人物的雙手抱著兩個娃娃，使邊緣凹凸不平。這樣的形狀不利于飛機(jī)的飛行。我們決定去掉娃娃，重新修改手部的邊緣外形，并加寬加大，使其類似于飛機(jī)機(jī)翼的外形。 （c） 腳部升降舵的重新設(shè)定 升降舵很大程度影響了飛機(jī)的可操控性。為了使飛機(jī)易于控制，我們將腳部放大，設(shè)計了比較大的升降舵。最終，在解決了上述問題之后，我們得到了最終的翼面設(shè)計。2. CAD設(shè)計與繪制在完成了設(shè)計之后，對圖像進(jìn)行了上色處理，以便于打印之后作為上色依據(jù)和板材裁剪的標(biāo)尺。最終效果圖3. 方向舵的設(shè)計與制作為了

11、與鄧小平的領(lǐng)導(dǎo)人形象相配合，沈老師建議我們選擇了用五星紅旗的愛心形狀作方向舵。在用AutoCAD對香蕉進(jìn)行設(shè)計之后，機(jī)身上的圖案也按照這個圖案進(jìn)行縮放和旋轉(zhuǎn)。最后通過排列來構(gòu)成機(jī)身的整個圖案之后，對圖片進(jìn)行了上色處理設(shè)計方向舵的時候，要注意安裝位置。不能讓方向舵和升降舵相互阻礙，所以方向舵位置稍微向前。設(shè)計完成后，我們將圖案用A2的紙打印出來，平鋪在紙板上，在用水性筆描線上色。最后經(jīng)過不懈地努力和嘗試，我組完成了卡通飛機(jī)的設(shè)計和安裝。最終效果圖如下四、氣動性能分析“鄧小平”飛機(jī)的整個機(jī)身大致可以認(rèn)為與機(jī)翼融為一體，且近似于一塊長方形的整體機(jī)翼。實際操作中采用軟件模擬分析的方法大致確定飛機(jī)在實際

12、飛行中的氣動性能。1. 飛機(jī)升阻特性的幾個基本概念在飛機(jī)設(shè)計過程中，飛機(jī)或機(jī)翼的升力L和阻力D通常分別用以下表達(dá)式被描述：L=1/2CLSv² （1）D=1/2CDSv² （2）其中，為空氣密度，取1.205kg/m3，v為飛機(jī)的飛行速度，L為特征尺寸，如機(jī)翼弦長等；CL，CD分別為升力系數(shù)和阻力系數(shù)，與飛機(jī)的翼型、迎角a等因素有關(guān)。在對飛機(jī)的升阻特性進(jìn)行風(fēng)洞試驗測試時，飛機(jī)的模型必須要和實際的飛機(jī)滿足三個方面的相似性，即幾何相似，運動相似和動力相似。所謂幾何相似，就是實驗飛機(jī)模型各部件外形尺寸要是實際飛機(jī)的等比例縮放；運動相似，就是風(fēng)洞中氣流與模型之間的相對運動關(guān)系要和實

13、際飛機(jī)速度與空氣之間的相互運動關(guān)系保持一致；動力相似，就是風(fēng)洞實驗?zāi)Ｐ偷睦字Z數(shù)Re要與實際飛機(jī)飛行的雷諾數(shù)相等或相近。這里雷諾數(shù)Re= rvL/m （3）其中，m為空氣的動力學(xué)粘性系數(shù)，室溫下取1.5´10-5m2/s。從物理意義上講，雷諾數(shù)是用來表明空氣摩擦阻力在模型或真實飛行器的總阻力中所占比例大小的一個系數(shù)。雷諾數(shù)越大，表明摩擦阻力所占比例越小；反之，則越大?？傊?，風(fēng)洞模型只有和真實飛機(jī)之間滿足上述三方面的相似性，風(fēng)洞試驗得到的CL-a曲線、CD-a曲線才能直接用于真實飛機(jī)升力與阻力的計算，才能“通用”。最后，我們再介紹一下飛機(jī)或機(jī)翼升阻比的概念。升阻比又稱“舉阻比”、“空氣動

14、力效率”，指的是飛機(jī)飛行過程中，在同一迎角下的升力與阻力的比值，即L/D或CL/CD。對于低速飛行的飛機(jī)來說，CL/CD主要取決于飛機(jī)機(jī)翼的迎角。以下我們將通過NASA網(wǎng)頁上的一個簡易風(fēng)洞軟件Tunnel確定飛機(jī)在不同迎角下的升阻比，以選定合理的機(jī)翼迎角。2. 美國NASA的Tunnel簡易氣動軟件Tunnel簡易氣動軟件簡介Tunnel是美國NASA（國家航空航天局）官網(wǎng)上的一個簡易的機(jī)翼氣動性能虛擬測試軟件，它的全稱叫“萊特1901年風(fēng)洞模擬器”。該款軟件的風(fēng)洞環(huán)境與110年前萊特兄弟制造的風(fēng)洞環(huán)境類似，此外，萊特兄弟風(fēng)洞實驗的風(fēng)速大約在3m/S6m/s范圍內(nèi)，也與普通室內(nèi)慢飛小飛機(jī)的速度

15、范圍較為吻合。因此，可以認(rèn)為，萊特兄弟風(fēng)洞實驗的機(jī)翼在動力相似方面和當(dāng)前的室內(nèi)小飛機(jī)較為一致，其實驗數(shù)據(jù)適合當(dāng)下室內(nèi)小飛機(jī)的設(shè)計。值得一提的是，萊特兄弟關(guān)于這些機(jī)翼的風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)現(xiàn)在已經(jīng)被做成數(shù)據(jù)庫，集成在Tunnel軟件中，軟件使用者模擬自己的飛機(jī)機(jī)翼升力、阻力時可以通過該軟件的用戶圖形界面直接調(diào)用。Tunnel氣動軟件的實驗步驟先選擇合適的翼型。軟件附帶的翼型庫如上圖所示，選取與我們制作的卡通飛機(jī)翼型最相近的17號翼型，以下是軟件模擬的具體步驟。步驟1：Tunnel軟件界面中點擊“Select model”，選擇模型。界面右方會顯示出各種翼型，見圖5；用鼠標(biāo)直接點擊選擇需要的機(jī)翼模型,界面

16、左上方便會顯示出升力天平、機(jī)翼和“手”的圖樣，見下圖；步驟2：點擊“Set Angle of Attack”，設(shè)置機(jī)翼迎角。鼠標(biāo)點擊該“手”并移動，可調(diào)整機(jī)翼的迎角a。步驟3：點擊圖中的 “start tunel”按鍵，開始“吹風(fēng)實驗”。步驟4：點擊圖中的“Adjust for drag”按鍵。注：該步驟可直接跳過。軟件該處疑似存在bug。步驟5：點擊“Record data”按鍵，在見上圖界面右上方的”升力系數(shù)-迎角坐標(biāo)系”（即Lift Coef Vs Angle of Attack 坐標(biāo)或CL-a坐標(biāo)）中會記錄下當(dāng)前迎角a下機(jī)翼的升力系數(shù)CL數(shù)據(jù)。重復(fù)步驟2步驟5，便可在圖6界面的”升力系

17、數(shù)-迎角坐標(biāo)系”中得到機(jī)翼的整條CL-a曲線。Tunnel氣動軟件是不能直接計算機(jī)翼阻力的，但鼠標(biāo)點擊Tunnel軟件界面上的“Drag Balance”；然后按照升力計算同樣的步驟，卻可得到機(jī)翼的CD/CL-a（阻升比Vs迎角）曲線。有了機(jī)翼（或平尾）的CL-a曲線和CD/CL-a曲線，根據(jù)升阻比CD/CL的定義，我們就可以得到機(jī)翼（或平尾）的CD-a曲線。注意，當(dāng)你利用Tunnel氣動軟件計算機(jī)翼的升力、阻力時，界面的右下方會隨時出現(xiàn)一些英文提示，提示你下一步該怎么做。3. 升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比的確定按照上述步驟測得數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入OriginPro軟件，分別畫出升力系數(shù)、阻力系數(shù)

18、的曲線，如下所示：升力系數(shù)阻力系數(shù)實際上，飛機(jī)的阻力除了主機(jī)翼外，還包括螺旋槳、發(fā)動機(jī)減速組、飛機(jī)機(jī)身、起落架、電池、接收機(jī)、垂尾等部件的阻力。這里，我們用下列的表達(dá)式來近似估算飛機(jī)整機(jī)的阻力系數(shù)CD整機(jī)公式：CD整機(jī)=（CD翼+CLD×S平/S翼）（1+x） （3）式中，x是一個考慮螺旋槳、發(fā)動機(jī)減速組、飛機(jī)機(jī)身、起落架、電池、接收機(jī)、垂尾等部件阻力的修正系數(shù)。對于碳桿薄膜類室內(nèi)飛機(jī)來說，根據(jù)我們的經(jīng)驗，建議x取2。由圖9（b）和圖10（b）的飛機(jī)主機(jī)翼及平尾的阻力系數(shù)數(shù)據(jù)，以及公式（3），可以計算出飛機(jī)整機(jī)的CD整機(jī)-a翼曲線，數(shù)據(jù)如下所示：升阻比至此，我們已經(jīng)可以獲取任意飛行速

19、度v及飛行姿態(tài)（主機(jī)翼迎角a翼）下飛機(jī)的升力和飛行阻力大小。又從圖上得，迎角應(yīng)取大約6度可獲得最大的升阻比。故取迎角為6度，也即整個機(jī)身后部的安裝角為6度。可惜的是，受制作材料和設(shè)計外觀的限制，迎角很難被加工制作出來，我們最終只是在理論上分析了情況。為了確保飛機(jī)的穩(wěn)定和安全，迎角的設(shè)計只好保存在我們的想象之中了。五、控制系統(tǒng)與性能分析1.成品概述 “鄧小平”飛機(jī)成品圖 上圖是我們最終完成的作品，在試飛前我們將會先對其飛行性能進(jìn)行評估。下表是飛機(jī)主要部件質(zhì)量部件 測量項質(zhì)量（g）電機(jī)14.5舵機(jī)5.0電線5.8電池15.5接收機(jī)6.1總重112.72. 飛機(jī)設(shè)計參數(shù)在設(shè)計和制作之后，我們對飛機(jī)的

20、各項參數(shù)進(jìn)行了測量與計算，得出了以下的一些數(shù)據(jù)部件 測量項長度（mm）a70b45d227L570m300M344h112H120n100 之后經(jīng)過CAD軟件的建模與大致估算，得到飛機(jī)的機(jī)翼面積約為S=139526mm2，即1395.26cm2或0.1395m2另外，升降舵總面積S1=19740mm2=197.4cm2，方向舵面積S2=4624.4mm2=46cm2 3. 飛行性能估測飛升性能“鄧小平卡通飛機(jī)”屬于低速飛機(jī)，因此在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)采用大展弦比的機(jī)翼，然而由于卡通造型的限制，翼展難以增大，而另一方面，動力系統(tǒng)也沒有更好的選擇，因此預(yù)計可能出現(xiàn)升力不足的情況。盡管做出了修正和補(bǔ)償，但預(yù)計

21、還是可能出現(xiàn)升力不足的情況，因此在試飛過程中，將盡可能讓飛機(jī)從較低處釋放以利用地效。這樣做的另一個考慮在于避免飛機(jī)摔壞，因為飛機(jī)本身較重，而材料有比較脆，如果機(jī)翼斷裂可能要被迫重新制作飛機(jī)了，因此試飛中要非常小心。飛行姿態(tài)鄧小平飛機(jī)的造型是左右對稱的，因此在加工工藝可靠的情況下，應(yīng)該可以做到飛行姿態(tài)穩(wěn)定。為了保證加工工藝，我們在飛機(jī)整體安裝完成之后，又重新用尺和量角器測量了數(shù)據(jù)并進(jìn)行調(diào)整。另一方面，飛行時的轉(zhuǎn)向性能也是重要的一環(huán)，“小平號”采用了全動的尾翼，因此預(yù)計在轉(zhuǎn)向中是足夠靈敏的，同時，為了保證飛機(jī)不會水平螺旋，我們將電池安裝機(jī)身最前端使得飛機(jī)重心穩(wěn)定?！靶∑健碧栵w機(jī)的重心經(jīng)過合理的安排

22、后，大約處于距離機(jī)身前端1/4機(jī)身長度處，在豎直方向上在機(jī)翼下方，因此預(yù)計能保證飛行時的良好姿態(tài)。4. 實地飛行測試評估實際飛行中，飛機(jī)的動力十分的充足，飛機(jī)可以較為平穩(wěn)的在空中盤旋一段時間。由于我們在一開始就考慮到了操縱性能的問題，所以飛機(jī)的升降舵和方向舵都設(shè)計得很大，使得飛機(jī)的靈敏度非常的高。在飛手的操控下，我們的飛機(jī)跨越了整個足球場，又迅速地掉頭飛了回來。只可惜在最后的著陸過程中撞上了場地邊緣的護(hù)欄，掛彩而歸?？傮w而言，在我們之前設(shè)計時，就注重了細(xì)節(jié)優(yōu)化，不斷調(diào)整翼型和舵面， 所以試飛時表現(xiàn)得較為出色。 放飛“小平號” “小平號”飛向藍(lán)天六、 “小平號”設(shè)計總結(jié) 在一周的實習(xí)與學(xué)習(xí)期間，雖然正值酷暑當(dāng)頭的八月，但我