玻璃鋼固定翼航模的模具設計與制作＊

孫振華，柳忠艷，吳瑞軒，張 超

（1.銀川科技學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏機械研究院（有限公司），寧夏 銀川 750021）

1 研究背景

隨著科學技術的發(fā)展，單一材料已經無法滿足社會市場的需要。而在無人機領域，只有復合材料，才能滿足其發(fā)展需求。在國內，除軍事領域外，以玻璃鋼復合材料制作模型飛機及其模具的案例相對較少，更多的只是經驗設計。文章以固定翼航模的設計制作為案例，擬解決傳統(tǒng)模具制造成本高、制作時間長及質量較大的缺點，完善航空模型領域的設計及制作方式，為玻璃鋼復合材料模型航模的發(fā)展提出一種新的可能[1]。

2 固定翼航模的參數設計

2.1 機翼設計

本設計機翼的平面形狀為矩形機翼與橢圓形機翼相結合，均衡升力的同時還可以降低誘導阻力，具有較強的兼容性。確定機翼外形參數投影如圖1 所示。

圖1 機翼外形投影參數圖（單位：mm）

2.2 翼型選擇

航模的雷諾數普遍在10 萬～100 萬之間，這個區(qū)域的雷諾數變化對于氣動力，尤其是阻力的影響十分明顯，適當地增大雷諾數可以減小阻力系數[2]。

雷諾數計算公式：

式（1）中：ρ為空氣密度；v為空氣流速；D為特征尺寸；u為空氣黏度。

根據所設定的巡航速度，取v=40 m/s，根據平均弦長，取D=1.184 m。當高度定為100 m，此時計算得到雷諾數Re=320 599。故在Profili 軟件中選取翼型時，選取的雷諾數Re=320 599。

參考同類型固定翼航空模型翼型選取方案，選出了NACA4415 和CLARK Y 兩種典型翼型，并在Profili軟件中取雷諾數Re=321 000，進一步對比，分析結果如圖2 所示。

圖2 翼型對比分析圖

從升力系數曲線來看，NACA4415 整體高出很多，從阻力系數曲線來看，NACA4415 在迎角1°～3°時具有明顯的阻力改善，一旦超過這個區(qū)域，阻力系數將會明顯增大，故選擇NACA4415 作為機翼的翼型。

2.3 機身設計

本設計機身采用筒形機身，為了增加結構強度及減輕結構質量，采用了玻璃鋼復合材料硬殼式機身結構。據已有設備相關數據，設定機身尺寸為：長0.75 m，寬0.05 m，高0.05 m。機身幾何參數如圖3 所示。

圖3 機身幾何參數圖（單位：mm）

2.4 尾翼設計

平尾幾何參數主要取決于平尾容量[2]。

式（2）中：S平尾為平尾面積；S為機翼面積；L平尾為平尾力臂；C為平均氣動弦長。

根據經驗取A平尾=0.7。在構型設計中，為進一步減少固定翼航空模型阻力，將平尾平面形狀設計為近似橢圓形，為減少計算量，在此采用近似替代計算法，將平尾平面圖形外接垂線與切線交于一點，通過對稱，等價近似替換為2 個大小相等的梯形，如圖4 所示。

圖4 近似代替計算簡化圖

通過近似代替計算法簡化圖形。以此，在XFLR5軟件中輸入平尾翼展220 mm，通過翼根弦長和翼尖弦長計算得出平均氣動弦長為52.36 mm，并根據所建立的模型大致估算出L平尾=600 mm，代入公式（2），得平尾面積為113.3 cm2。最后得出平尾外形投影參數如圖5 所示。

圖5 平尾幾何參數圖（單位：mm）

同理，可以得到垂尾的平均氣動弦長為46.63 mm，代入垂尾容量計算公式：

式（3）中：S垂尾為垂尾面積；S為機翼面積；L垂尾為垂尾力臂，取530 mm；B為機翼翼展。

根據經驗取A垂尾=0.04，得垂尾面積為55 cm2，最后得出垂尾外形投影參數如圖6 所示。

圖6 垂尾幾何參數圖（單位：mm）

3 玻璃鋼模具的制作

在前文對固定翼航模設計參數的基礎上來完成對玻璃鋼模具的設計與制作。而完成玻璃鋼模具設計與制作之前，需完成母模的設計與制作，即完成對PVC型芯模具的設計與制作。其制作流程如圖7 所示。

圖7 玻璃鋼模具制作流程圖

可以得到玻璃鋼固定翼航模模具效果圖，如圖8、圖9、圖10 所示。

圖8 玻璃鋼機翼模具效果圖

圖9 玻璃鋼尾翼模具效果圖

圖10 玻璃鋼機身模具效果圖

4 結束語

文章通過對固定翼航空模型機翼、機身及尾翼的參數設計和計算，以及對PVC 板材的預處理、軟件處理和雕刻機加工完整流程的陳述來完成玻璃鋼模具的制作。在完善航空模型領域的設計及制作方式的同時，也為其他航空無人機設計及制作方式提供參考。