1、杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 11火箭助推滑翔机理论方案设计作品名称 火箭助推滑翔机 学校名称 杭州电子科技大学 学生姓名 朱国成 、 徐匡 、 项冰峰 、 江卫 指导教师 王云 联系电话 18042000146 浙江省大学生力学竞赛组委会二零一二年六月杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 22目 录1 设计背景.32 设计任务.42.1 外观42.2 飞行时间43 飞行原理.53.1 升力53.2 阻力64 设计方案.94.1 机身设计94.2 机翼设计94.2.1 机翼形状.94.2.2 展弦比.94.2.3 上反角.104.3 尾翼设计.115 尺寸计算125.1 机身尺寸135.2
2、 机翼尺寸135.3 尾翼尺寸135.4 位置尺寸146 载荷分析157 过程论述168 设计体会和收获189 参考文献20杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 331 设 计 背 景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首届大学生力学竞赛。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。杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 442 设计任务2.1 外观外观要求尽量对称、光洁，比例适宜给人以完美的视觉感官。2.2 飞行时间使飞行时间尽量长有较长的
3、滑翔时间。杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 553 飞行原理3.1 升力不论什么机翼，其提高升力的实质都是增大机翼上下表面的总压力差。影响升力大小的因素除了机翼本身的尺寸大小之外一个主要的参数就是升力系数，根据风洞和相关试验表明，机翼的升力满足下列关系式： lSCVL21其中： NL升 力 ，kg/空 气 密 度2m,m/s飞 机 与 气 流 的 相 对 速 度V,机 翼 面 积S2m机 翼 升 力 系 数lC杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 66升力系数是一个比较关键的参数，影响它的因素有：（1）翼型不同的翼型可以使得流过机翼上下表面气流的状态不同，比如速度之类的参数，进而得机翼上下表面
4、具有不同的压力而呈现出压力差，最后体现为整个机翼的升力。（2）迎角迎角也就是机翼与水平方向的夹角，很直观地可以看出，当机翼与水平方向具有一定夹角的时候，流向机翼表面的气流产生一个垂直方向上的分力，故不同的迎角对机翼的升力系数是有影响的。不同的翼型有不同的升力系数，人们把各种各样的翼型放到风洞中做试验，分别求出它们在不同迎角下的升力系数，最后吧这些数据进行整理，每种翼型的资料都画成曲线，就如升力系数曲线，这样查阅起来就比较方便。3.2 阻力杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 77机翼在空气中运动不仅会有升力同时阻力也存在，它主要是由两部分组成，一是空气黏性的作用，二是机翼受到空气的摩擦阻力，另一
5、部分是机翼前后压力差的不同而表现为的阻力。摩擦阻力摩擦阻力与物体表面的光滑程度有关，也与空气的状况有关，因此不难看出减小擦阻力对于飞行用的机翼来说就是尽量把表面加工得光滑一些。压差阻力这种阻力与机翼的形状有关，同时还与空气的黏性有关，经常性地压差阻力主要是机翼后面会产生涡旋，显然减小压差阻力最直接的方法就是减小机翼后面压力较小的涡旋区，流线型的形状就是一个好的选择。空气黏性阻力空气粘性阻力主要表现在最靠近物体薄薄的一层气流中，叫它边界层，边界层又分为两种，一是层流层，二是湍流层。层流层的流动是一层一层的很有规则，这样由空气黏性所产生的阻力便比较小，而相反湍流层内气流是紊乱的，自然摩擦阻力比较大
6、，因此为了减小阻力，最好是使得机翼的边界层为层流层。但是这两中边界层有更杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 88多的区别，就是它们产生的速度变化不同，简单地说，层流层里面速度变化比较激烈，湍流层由于比较“紊乱“，里面的空气相互影响，因此速度变化不激烈，湍流层的这个特点使它在机翼表面流动时不容易停顿下来，而层流层相反，这些特性表现为，层流层涡旋去很大，湍流层较小，故湍流层压差阻力较小，而层流层的压差阻力比较大。因此从减小压差阻力的观点来看，边界层最好是湍流的。实际上影响机翼飞行效果的因素还有很多，但对于我们这个飞行状态并不太复杂的模型飞机来说，仅仅考虑以上因素已经足够了。杭州电子科技大学火箭助推
7、滑翔机设计 993 设计方案3.1 机身设计机身由于所给材料是条长 385mm 的木材，为了减轻飞机重量在不影响结构强度的前提下，我们将尾部下方不需要的部分给磨去。又将本来粗糙的表面给磨光滑以减小空气阻力。3.2 机翼设计3.2.1 机翼形状在查找相关文献资料之后，我们得知飞机翼型有矩形翼、后掠翼、梯形翼、变后掠翼、三角翼等翼型。由理论理想最大升力翼型为椭圆形机翼，又考虑了减小阻力和制作方便我们选择后掠翼翼型。3.2.2 展弦比杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 1010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 7.4。3.2.3 上反角为力增加飞机飞行时的稳定性，防
8、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。杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 11114.3 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。杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设
9、计 12125 尺寸计算杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 13135.1 机身尺寸长：385mm高：7.5mm宽：5 mm5.2 机翼尺寸上底：36mm下底：72mm高 ：198mm5.3 尾翼尺寸杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 1414上底：40mm下底：60mm高 ：70mm5.4 位置尺寸：如上图杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 15156 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。2.几乎所有的飞机破坏过程发生在飞机着陆的瞬间。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（里飞机较近的一端）需承受的载荷非常大。此
10、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。杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 16167 过程论述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。 遵循从易到难的常理，我们组首先开始了火箭的制作。根据制作说明提示的步骤，我们组员分工合作快速完成了火箭的制作，组考虑到在炸药产生的一定力不变的情况下，要使滑翔
11、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。 我们组员用砂纸对箭体和箭头进行打磨，减少箭体中纸团的质量（在不使飘带烧毁的前提下） 。 在完成相对简易的火箭制作后。我们组开始了新一轮的激烈讨论。讨论的话题都紧紧围绕着前翼，尾翼的形状，尺寸，质量，机身的质量以及机翼的安装位置（重心，压心的位置）的确定。 在查看大量资料下，我们组选定了几种相对较好的翼型例如：矩形翼、梯形翼、后掠翼、三角翼等。 经过综合分析对比，我们组选择了认为理想的翼型：后掠翼。
12、对于尾翼，我们组一致决定用倒 T 型。 但机翼及其尺寸的大小又称为一个难题。根据资料上所说，展弦比大致在68 为好， 组员经过讨论决定，先选用展弦比 7.4 ， 确定好重心和压心，制作成一架初步的飞机模型。 实践是检验真理的唯一方法，我们组在制作好模型后，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，尝试杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 1717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。杭
13、州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 18188 设计体会和收获我们感到非常庆幸能参加这次比赛，通过十来天的学习以及设计制作，感触颇大。其中非常深刻的一点是，经过长时间的合作，我们发现团队合作并不是那么容易的，当我们在设计过程中遇到问题，碰到瓶颈，或出现分岔，必定就会产生激烈的争论，各自有各自的想法观点，几次之后，我们发现，人多了，思想意见不统一，对研发效率产生了明显的影响。 于是，我们专门对此进行了一次深刻的反省和讨论，等差不多每个人都知道自己性格上或者行动上的优点和不足，决定之后少说多做，少数服从多数，实践是检验真理的唯一方法。 至此之后，我们的研发效率大大增强，并在第一次试飞获得了第一！ 通
14、过这次比赛，我们每个人的团队合作能力大大增强，并对自己在一个团队中的定位适应也有了一个稍微明确的标准，这对我们以后在社会上的立足增添了一个有力的砝码。 其次，通过这次比赛，我们学到了很多额外的知识，而且从另一个角度来讲，让我们重新温习了下以前学过的知识，这对我们以后融会贯通大学里学的知识非常有帮助！ 当然，在设计过程中还出现了很多的问题，但通过去图书馆找书，上网查找资料，以及向指导老师请教，不断的学习，解决，提高，制造出的滑翔机无论是飞行性能还是外观，都在不断的进步，改善。可以说在自己动手，不断实践的过程中，我们的动手能力，发现问题解决问题的能力得到了很大提高。杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 1919总体而言，这次比赛，我们还是有遗憾的，我们过多地依赖于实践，试飞再试飞，不知试飞了多少遍，却忽视了用手试飞滑翔机还是有些地方的性能是我们看不到的。带着遗憾离开，但留下了满心的希望，愿我校参组成员能荣获高奖，满载而归！杭州电子科技大学火箭助推滑翔机设计 20209 参考文献模型飞机的翼型与机翼.航空工业出版社，2007.10模型飞机飞行原理.航空工业出版社，2007.10模型飞机调整原理.航空工业出版社，2007.10
