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1、金华职业技术学院师范学院航模协会内部资料2005.6.（1） 模 型 飞机基础理论知识指导：张方平 老师 编辑：胡相雷模型飞机的一般知识一、模型飞机的定义航空模型是一种重于空气的，有尺寸限制的，带有或不带有发动机的，不能载人的航空器。模型飞机是航空模型其中的一类。二、模型飞机一般可分为五大部分：1、机翼机翼是模型飞机产生升力的重要装置，并有保持模型飞机的平衡的作用；2、尾翼 尾翼分为垂直尾翼和水平尾翼，有保持模型飞机平衡安定的作用； 3、机身机身主要是将模型飞机的所有装置连接在一起的作用，机身内安装有遥控设备、动力系统等；4、动力系统这是模型飞机飞行的动力来源；5、起落架供模型飞机起飞与降落用
2、，保护整架模型飞机起飞与降落。三、模型飞机中的一些常用术语在模型飞机中，方向的确定与真飞机是一致的，也就是说以驾驶员坐在飞机内为准，向机头方向为前方，向机尾方向为后方，驾驶员左边为飞机左边，右边以此类推。这样看，模型飞机的机翼可分为左机翼和右机翼。翼尖模型飞机机翼或尾翼的最左端和最右端翼展模型飞机机翼或尾翼两翼尖的直线距离机身全长机身的最前端到机身最后端的直线距离重心模型飞机重力的合力作用点尾力臂重心位置到水平尾翼升力中心的直线距离升力中心机翼或尾翼产生升力的合力作用点翼型机翼或尾翼的横切面形状前缘翼型的最前端后缘翼型的最后端翼弦前缘到后缘的直线距离展弦比翼展与翼弦长度的比值模型飞机的三轴 纵
3、轴、横轴、立轴，以重心为准，分别模型飞机前后、左右、上下方向确定的轴线上反角机翼前缘线与立轴之间的夹角后掠角机翼前缘线与横轴之间的夹角安装角机翼翼弦与纵轴之间的夹角机翼迎角机翼翼弦与相对气流之间的夹角总升力面积模型飞机在水平状态下，机翼及水平尾翼，在水平面上的正投影面积模型飞机三视图侧视图（主视图）：从侧面看模型飞机俯视图：从上往下看模型飞机前视图（左视图）：从前面往后看模型飞机模型飞机的飞行原理一、模型飞机的升力1、 空气动力当任何物体在空气中运动，或者不动，空气在物体表面流过时，空气对物体都会有作用力。由于空气对物体作相对运动，在物体上产生的这种作用力，就称为空气动力。空气动力学中的连续性
4、原理。在空气动力学和流体力学中，常常把流体或气体微团流动所经过的路径叫做“流线”。这种流线是连续的，而且在流动过程中流体的微团不会从一条流线跑到另一条流线上去。沿着每条流线，运动的流体微团的质量不变。后者这么解释，对于沿着一个通道流动的气流来讲，在相同时间间隔内，流过的空气质量是相同的。那么，在实际生活当中，常常发生这种情况，一条小河，当流过窄一点的地方（如桥墩）时，总是比其他地方的流速要快；穿堂风也是一样，在即使很小风的天气，在过道入口等狭窄处总是有比较大的风。这些都是气流的连续性原理。2、 伯努利定理气流的连续性说明了空气流过物体时流速的变化情况。但重要的是空气动力的变化规律呢？泊努利定理
5、是气流流速与空气动力联系的关键。我们可以来做这么一个试验：拿两张纸，相距一小段距离平行放置，且垂直与地面（如右图）。在两张纸静止状态下，往两纸之间吹气。你会发现，纸张并不会往外跑，而是往里靠。以上试验指出：流速大的地方，气流压强小；流速小的地方，气流压强大。泊努利定理明确指出，空气流动时，有两种压强：一种是动压强，这种压强是由空气运动形成的，压力方向是气流方向；另一种是静压强，这种压强是一种势能，在任何方向都有压力。一般情况下，在气流通道中任一处的总压是一个不变的值。我们可以用公式来表示为：静压+动压=总压（常量）P+1/2V2=常量式中 P静压强 1/2V2动压强若以右图为例，考虑到空气是不
6、可压缩的流体，在S1、S2处的空气密度是相同的，即1=2=。所以 P1+1/21V12=P2+1/22V22可看出横截面S1 S2，并且考虑到气流的连续性，那么速度 V1D2，根据泊努利定理，在D2处的气流流动速度要比图中其他任何地方的气流速度要快。再根据泊努利定理中，流速快的地方动压大，静压小；流速慢的地方动压小，静压大。那么，从翼型上下的流线可以看出：机翼上表面的流速比下表面的流速快，那么上表面向后的动压大，上表面的静压就要比下表面的静压要小，从而在机翼的上下表面形成压强差，也就是产生了升力（如右图）通过科学家的试验后得知，机翼产生升力的大小可用如下公式计算：Y（升力）=1/2V2SCy式
7、中：空气密度（1/8千克秒2/米4）； V机翼与相对气流的相对速度（米/秒）；S机翼投影面积（米2）； Cy机翼升力系数。4、 升力大小的影响因素从升力公式中分析，模型飞机的升力与飞机前进速度、机翼投影面积大小、翼型形状、机翼迎角有关。、 模型飞机发动机产生的拉力越大，前进的速度越快，升力也会相应变大。、 机翼面积越大，在机翼上下表面的产生压强差也会相应变大，也就是升力变大。、 翼型的差别也会改变升力，这方面的研究具体在下面几节中做重点分析。、 升力的大小还与迎角有关。我们先来看一个图（右图）在图中同一个翼型的四种不同迎角下的情况a、b、c、d中我们明显可以看出，随着迎角的变大，翼型上表面的流
8、线越受到挤压，也就是说上表面的气流速度变快，下表面的气流速度随之变慢，根据泊努利定理，这就可以分析出迎角越大，升力越大。前面所说的迎角是在一定角度限制下的，那么，迎角再加大升力会变大么？因此，要继续研究，就要有新的科学数据。在下图中，是升力系数曲线。是两种翼型在不同迎角下的升力系数变化情况，从图中看出，在机翼在0o到18o之间升力系数一直在增大，过了18o后，升力系数就一直在变小直到无升力。迎角再加大，阻力增加，升力反而减小。从而出现模型飞机中常出现的事故“失速”5、 机翼翼型各部分名称翼型的各部分名称如下图所示。翼弦是翼型的基准线，它是前缘点同后缘点的连线。中弧线是指上弧线和下弧线之间的内切
9、圆圆心的连线。 中弧线最大弯度用中弧线最高点到翼弦的距离来表示。在一定的范围内，弯度越大，升阻比越大。但超过了这个范围，阻力就增大的很快，升阻比反而下降。中弧线最高点到翼弦的距离一般是翼弦长的4%8中弧线最高点位置同机翼上表面边界层的特性有很大关系。竞时模型飞机翼型的中弧线最高点到前缘的距离一般是翼弦的25、50。翼型的最大厚度是指上弧线同下弧线之间内切圆的最大直径。一般来说，厚度越大，阻力也越大。而且在低雷诺数情况下，机翼表面容易保持层流边界层。因此，竞时模型飞机要采用较薄的翼型。翼型最大厚度一股是翼弦的6、8。但是，线操纵特技模型飞机例外，它的翼型最大厚度可以达到翼弦的12、18。翼型最大
10、厚度位置对机翼上表面边界层特性也有很大影响。翼型前缘半径决定了翼型前部的“尖”或“钝”，前缘半径小，在大迎角下气流容易分离，使模型飞机的稳定性变坏，前缘半径大对稳定性有好处，但阻力又会增大。6、 机翼翼型种类常用的模型飞机翼型有对称、双凸、平凸、凹凸，s形等几种，如右图所示对称翼型的中弧线和翼弦重合，上弧线和下弧线对称。这种翼型阻力系数比较小，但升阻比也小。一般用在线操纵或遥控特技模型飞机上。双凸翼型的上弧线和下弧线都向外凸，但上弧线的弯度比下弧线大。这种翼型比对称翼型的升阻比大。一般用在线操纵竞速或遥控特技模型飞机上平凸翼型的下弧线是一条直线。这种翼型最大升阻比要比双凸翼型大。一般用在速度不
11、太高的初级线操纵或遥控模型飞机上凹凸翼型的下弧线向内凹入。这种翼型能产生较大的升力，升阻比也比较大。广泛用在竞赛留空时间的模型飞机上S形翼型的中弧线象横放的S形。这种翼型的力矩特性是稳定的，可以用在没有水平尾翼的模型飞机上。二、模型飞机的阻力只要物体同空气有相对运动，必然有空气阻力作用在物体上。作用在模型飞机上的阻力主要有摩擦阻力、压差阻力和诱导阻力。 摩擦阻力：当空气流过机翼表面的时候，由于空气的粘性作用，在空气和机翼表面之间会产生摩擦阻力。如果机翼表面的边界层是层流边界层，空气粘性所引起的摩擦阻力比较小，如果机翼表面的边界层是紊流边界层，空气粘性所引起的摩擦阻力就比较大。 为了减少摩擦阻力
12、，可以减少模型飞机同空气的接触面积，也可以把模型飞机表面做光滑些。但不是越光滑越好，因为表面太光滑，容易保持层流边界层，而层流边界层的气流容易分离，会使压差阻力大大增加。压差阻力：一块平板，平行于气流运动阻力比较小，垂直于气流运动阻力比较大。因为这种阻力是由于平板前后存在压力差而引起的，所以，我们把这种阻力叫做压差阻力。如果进行进一步的研究，可以看到，产生这个压力差的根本原因还是由于空气的粘性。 压差阻力同物体的形状，物体在气流中的姿态以及物体的最大迎风面积等有关，其中最主要的是同物体的形状有关。如果在那块垂直于气流的平板前面和后面都加上尖球形的罩，成为流线型的形状，见右图，它的压差阻力就可大
13、大减小，有的可减小90。所以，一般模型飞机的部件都采用流线型的。 在通常的情况下，机翼的阻力主要就是压差阻力和摩擦阻力。它们的和几乎就是总的阻力，叫做翼型阻力。但是，这两种阻力在总阻力中所占的比例随物体形状的不同而有所变化。对于流线型好的物体摩擦阻力是主要的，对于流线型不好的物体，压差阻力是主要的。 诱导阻力:在机翼的两端，机翼下表面压力大的气流绕过翼尖，向机翼上表面的低压区流动，于是在翼端形成一般涡流，如左图所示。它改变了翼端附近流经机翼的气流方向，引起了附加的阻力。因为它是升力诱导出来的，所以叫做诱导阻力减小诱导阻力的办法是增大展弦比。一般把机翼两翼端间的距离叫做翼展。翼展同翼弦的比叫做展
14、弦比，如果机翼又细又长，即它的展弦比大。展弦比越大，诱导阻力也就越小。另外，还可以把机翼形状做成梯形或椭圆形见下图，这两种形状机翼的诱导阻力比矩形机翼的诱导阻力小。另外还有一种干扰阻力，不过在模型飞机中这种阻力很小很小，主要在装置的相交处，例如模型飞机机翼与机身的结合处。减少这种阻力，就要将结合处做成弧形，不仅有减少阻力的作用，还有加强的作用。（右下图）阻力大小公式：X（阻力）=1/2V2SCx三、模型飞机的螺旋桨 螺旋桨是一种把发动机的动力变成拉力的装置。螺旋桨的效率的高低会直接影响到模型飞机的飞行成绩。 螺旋桨桨叶的工作原理和机翼十分相似。如果把桨叶取下来观察，就会发现它是一个扭曲着的机翼
15、。桨叶剖面和机翼剖面差不多。桨叶和机翼的区别在于，机翼在空气中的运动基本上是平动的，而桨叶既绕着桨轴旋转，又随着飞机起跑前进。螺旋桨的拉力就是靠桨叶在空气中运动而产生的。由于桨叶既有旋转运动，又有向前运动，所以吹过桨叶的气流包括两部分：一部分是来自侧面垂直于桨轴的气流，另一部分是来自前面平行于桨轴的气流。四、RC模型飞机的平衡安定与操纵性RC模型飞机是模型飞机中的一类，主要特征就是遥控模型飞机1、 RC电动模型飞机重心模型飞机的重心位置很重要，这决定了一架模型飞机的平衡、安定与操纵性。一般RC模型飞机的重心位置在机翼前缘后方翼弦的25%到30%之间。重心位置的测量与计算公式如下：2、 RC模型
16、飞机的平衡我们从模型飞机三个轴出发，将模型飞机分为：俯仰平衡（纵向平衡）、方向平衡、横向平衡。俯仰平衡就是当模型飞机做等速直线飞行时，没有绕X轴（横轴）转动时，模型就处于俯仰平衡状态。方向平衡就是当模型飞机做等速直线飞行时，没有绕Z轴（立轴）转动时，模型就处于方向平衡状态。横向平衡就是当模型飞机做等速直线飞行时，没有绕Y轴（纵轴）转动时，模型就处于横向平衡状态。要使模型飞机达到平衡、安定状态，就要从这几方面入手： 重心位置的确定，一般控制在25%； 确定机翼和尾翼升力的大小和升力中心，等速直线飞行时，一般压力中心在20%到25%间； 确定尾力臂，使升力中心与重心达到平衡； 制作时，每个部件到位
17、，无误差。一些不平衡的状态（天气无影响、等速直线飞行）：头轻重心位置过后，或尾翼升力不够头重重心位置过前，或尾翼升力过大无控制左（右）拐垂直尾翼不正或电动机右拉不够（过多）自主翻滚左右机翼不对称或电动机拉力线错误模型飞机的俯仰平衡如图：3、 RC电动模型飞机的操纵性在RC模型飞机当中，都安装有舵面来操纵模型。舵面的作用原理。当舵面偏转时，整个翼面的翼型及迎角发生改变。如图当舵面偏转角度后，飞行迎角21，且中弧线弯度f2变大，产生了很大向上的升力，形成打舵的作用。在模型飞机中，分别有三种舵面，控制着整架飞机的俯仰、方向和翻滚。这样我们可以把RC模型飞机的操纵性分为三块： 纵向操纵性指升降舵或襟翼偏转时，改变了飞机的俯仰状态。如图： 方向操纵性指方向舵偏转时，围绕立轴转动的能力。如下图左： 横向操纵性指偏转副翼，模型纵轴转动的能力。如下图右：影响舵面操纵的大小与偏转角度的大小和舵面的大小有直接的关系。偏转角度越大，操纵性越强；舵面面积越大，操纵性也就越强。同时模型飞机前进速度也是重要的一方面，操纵同样大小、同样角度的舵面，前进速度越快，操纵性越强；反之，则越弱。