1、微型飞机设计与制作短学期实践报告同微7号三翼飞机姓名：吴庆欣、周健、尹涛、王张宁专业：飞行器制造学院：航空航天与力学学院授课教师：沈海军、高玉魁报告时间：2013年8月2日0目录一、引言1.1本次实践的内容及意义31.2主要任务及目标41.3实践计划41.4初步设计51.5CAD绘制飞机三视图6二、材料准备及制作过程2.1材料准备82.2制作过程12三、气动分析3.1机翼升力系数193.2尾翼升力系数203.3整机升力系数213.4机翼升阻比233.5尾翼升阻比243.6整机升阻比253.7气动分析总结26四、电磁舵制作与小塑料件制作4.1电磁舵原理274.2电磁舵制作284.3电磁舵成品，以
2、及装机效果3314.4电磁舵的制作总结34五、推力、转速测试5.1实验器材355.2实验原理375.3测量过程385.4测量结果395.4实验结果与分析39六、试飞验证40小组分工：吴庆欣：CAD绘图周健：气动分析尹涛：电磁舵制作王张宁：推力、转速测试2一、引言1.1本次实践的内容及意义本次微型飞机设计与制作实践的主要内容是使用指导老师提供的碳纤维杆、保鲜膜及电动机、接收器，设计、制作并试飞手掌大小的微型遥控三翼飞机。我们主要的工作步骤是：1、通过指导老师讲解，重温航空航天概论知识，了解微型飞机的飞行原理。2、学习与本次微型飞机制作相关的软件，完成翼型选择，计算机翼、水平尾翼面积，计算飞机总体
3、升力。3、根据老师提供的图纸绘制飞机的CAD三视图。4、根据图纸分别制作机翼、机身、尾翼，制作电磁舵，焊接相关电子设备。5、组装飞机。6、飞机的试飞与调整。7、撰写实践报告以及制作的总结。本次实践可以让我们掌握微型飞机的设计、制作、试飞的全过程，使我们不仅仅满足于飞机某一部分的设计，很好的让我们“既见树木，又见森林”。通过这个项目，我们能更好的提高在制作飞机方面的动手能力；3提高团队协作的能力；掌握相关软件，为今后设计更大的飞机打好基础；并能体验到飞机试飞并不是一个简单的过程，而是一个不断失败、总结、调整，最后走向成功的过程。1.2主要任务及目标制作一个满足以下数据的三翼遥控飞机。小平飞速度：
4、5m/s翼展：152mm翼弦：44mm全机长度：217mm上反角：120主机翼安装角：50全机重量：17g1.3实践计划为了顺利完成本次微型飞机设计与制作，参照飞机的研发过程，我们定制了如下计划。a)飞机设计i)结合指导老师提供的图纸，取得飞机的三翼飞机的主要尺寸，计算飞机主机翼和尾翼的面积，进而计算飞机的升力，算得飞机的最大重量。ii)根据指导老师的意见确定飞机的翼型、上反角等基本参数。iii)根据已知尺寸及指导老师提供的桨、电动机、起落架等尺寸绘制CAD三视图。4方案推进方式前拉式机翼三机翼均为：上反角，两侧半圆的矩形翼水平安定面半圆垂直安定面1/4圆升降舵椭圆弧与直线围成的形状方向舵三角
5、形机翼的主要参数翼展152mm弦长44mm展弦比3.5主机翼面积220.00674m*3=0.0202m相对厚度8.3%安装角5迎角15上反角12水平尾翼的主要参数半径40mm面积20.003m（包括升降舵）b)加工制造i）根据图纸使用碳纤维杆或者激光雕刻制作机身、主机翼、尾翼ii）制作电磁舵iii）焊接电池、接收器、电动机、电磁舵等电子设备。iv）组装飞机c)试飞与调试1.4初步设计表1.4-1飞机初步设计方案表1.4-2飞机机翼的主要参数表1.4-3飞机水平尾翼的主要参数51.5CAD绘制飞机三视图图1.5-1同微7号三翼飞机正视图图1.5-2同微7号三翼飞机俯视图6图1.5-2同微7号三
6、翼飞机左视图7二、材料准备和飞机的制作2.1材料准备a）6mm空心杯电机减速组和电机（减速比48:9）图2.1-16mm空心杯电机及减速组b）3.7伏航模电池（30mmx20mmx3mm）2块，一块用于飞机，一块用于遥控图2.1-23.7V航模电池8c)0.5mm/0.8mm/1mm碳纤维杆图2.1-3碳纤维杆d)遥控器图2.1-4遥控器9e）接收机（15mmx20mm）图2.1-5接收机f）螺旋桨：桨4540图2.1-6螺旋桨g）充电器：USB接口电池充电器图2.1-7充电器10h）螺旋桨适配器i）保鲜膜图2.1-8保鲜膜j）双面胶、502胶水、美工刀、剪刀、棉线图2.1-9双面胶、502胶
7、水、美工刀、剪刀、棉线112.2制作过程a)焊接图2.2-1焊接完成图将电池和安装好螺旋桨的电机焊接在接收器指定位置（电磁舵在安装飞机再焊接）。b)机翼制作i)框架制作根据设计图纸，截取长度为354mm的直径为0.5mm的碳杆，作为机翼的框架。将碳杆两头对接在一起，利用热缩管初固定（先不要热缩）。然后用手将机翼完成所需要的形状（注意不要把碳杆弯断），再用棉线在距离圆弧边缘40mm处将碳杆前后边绑住，根据图纸线长度约为44mm。在绑好线后调整绑线处位置，使机翼左右对称，而且热缩管处无应力，最后加热热缩管固定（注意不要烧断碳杆）。用同样12方法制作其余两翼框架。图2.2-2主机翼框架完成图ii）翼
8、肋制作及安装根据图纸用CAD软件设计翼肋形状，利用激光雕刻机雕刻出机翼截面的木质翼肋，用502胶水粘接在碳杆中的棉线上。iii）铺膜将双面胶贴在碳杆以及翼肋上，将塑料薄膜绷紧，轻轻靠上去，然后沿碳杆逐渐粘紧。用烧热的绣花针裁出。用同样方法制作其余两翼。13图2.2-3、2.2-4主机翼铺膜完成图iv）拉上反角按照图纸在机翼的两个圆弧顶点用烧热的针刺两个洞，穿线绑紧一端，拉出约12上反角后绑紧另一端，绑紧后微调，使机翼形状没有扭弯，最后用502胶水固定绑线点。（此时铺膜会略有松弛，在安装机翼时有办法使其绷紧）c)尾翼制作根据图纸，利用CAD软件画出垂直安定面及水平安定面框架形状，在激光雕刻机下雕
9、刻出来，再铺膜，用烧热的针裁出相应形状。升降舵面、方向舵面则根据图纸用0.5mm碳杆制作，与电磁舵的摆动装置粘牢后铺膜。14d)飞机组装i)安装机翼前固定杆：以直径为10mm的碳杆作为机身，往碳杆套入两个剪了小口的热缩管，在后面的热缩管处插入两根0.8mm碳杆，作为安装三机翼的前固定杆，前面的热缩管根据图纸套入一根长43mm的0.8mm碳杆，另一端与固定杆用热缩管连接，利用三角形的稳定性将固定杆固定，烧热热缩管，使固定杆与机身碳杆成76角。此时有一个额外步骤，就是将安装起落架的塑料零件套在机身上（不用固定）。ii)安装中间机翼：取一根碳杆，将机翼对称放在上方，一同学用手稳定机翼位置，另一同学在
10、距离碳杆左右约1mm，距离机翼外框约2mm处用烧热的针分别刺4个洞（如下图所示红点位置，距离仅供参考，实际按保鲜膜松弛程度而定）。将前2洞套入两根前固定杆，用棉线绑紧后，根据图纸尺寸微调好固定（暂不滴胶水）。图2.2-5主机翼铺膜刺孔安装示意图iii)安装后固定杆：往机身套入剪口的热缩管，取两根0.8mm15碳杆穿过机翼后面两个刺孔，再穿过热缩管孔，放置成与机身成76位置，并根据图纸调整中间机翼位置，使安装角为5，然后用棉线绑紧，调整好尺寸后用502胶水固定后固定杆和中间机翼。iv)制作接收器安装板：根据两固定杆角度在塑料板上用美工刀裁出一块宽约20mm的矩形，一边裁成76角，另一边裁成约60
11、角，用美工刀切成2mm厚，打磨切面，76角一边及上下边磨平，60角边磨成两面对称的斜面，方便调整。最后将安装板装在前后固定杆中间，调整好后用AB胶固定。v)安装上下机翼：用iii)所示方法在另外两机翼刺孔，并按照图纸分别从两固定杆上下端套入并安装，用棉线绑定后微调好尺寸，最后用502胶水固定。图2.2-6安装好的中间机翼和下机翼16vi)安装水平安定面以及垂直安定面：根据激光雕刻出的水平安定面以及垂直安定面的尺寸，根据图纸在机身碳杆的相应位置用美工刀刻出约0.1mm深的安装凹槽，将两个安定面安装好，用直角尺测垂直和平行后，用502胶水固定。图2.2-7安装好的水平安定面及垂直安定面vii)安装
12、升降舵和方向舵：将制作好的电磁舵安装在水平安定面和垂直安定面的相应位置。再安装升降舵、方向舵，测试好方向后将两舵的引线焊接在接收器上。viii)安装接收器、电池和电机：在机头约3mm处将碳杆掰折而不掰断，安装电机，并用铜丝固定，获得2右拉角及3下拉角。将接收器、电池安装在安装板两端。ix)制作起落架：根据图纸用0.8mm碳杆以及机轮制作起落架，采用后三点式布局，后起落架可不用机轮，用0.5mm碳杆制作，作支撑用，注意利用三角形的稳定性。17x)固定电线：将电磁舵的引线用两条透明胶带贴在机身上，同时起到垂直安定面的作用。图2.2-8组装好的飞机xi)调整重心：通过调整电池位置，使整机水平重心位于
13、中间机翼翼弦前1/3处，垂直重心位于下机翼上方约10mm处。经过试飞调整，电池位置适宜放在下机翼下方，需要再增加电池安装架。18迎角（）升力系数升力（0.001N）-10.1695310.2668330.38411950.52016170.63219690.704218110.7252253.1机翼升力系数：19三、气动分析tunnel软件简介：tunnel是利用计算机模拟产生气流，以理论测量不同翼型（机翼和尾翼）下的升力系数和阻升比以便计算出整机升力和阻力的软件。计算公式：升力：；阻力：；（为空气密度，v为飞行速度，S为翼面积，C1为升力系数，C2为阻升比）其中空气密度为1.24kg/m3；
14、飞机速度为5m/s；单片机翼面积为0.00674m2，三翼面积约为0.0202m2；尾翼面积为0.003m2。迎角（）升力系数升力（0.001N）130.759235150.785243170.806250190.820254迎角（）升力系数升力（0.001N）-5-0.286-13-3-0.168-8-1-0.055-310.0543升力系数表3.1-1不同迎角下机翼升力系数及升力升力系数0.90.80.70.60.50.40.30.20.1-505101520迎角（）图3.1-1不同迎角下机翼升力系数及升力3.2尾翼升力系数：20迎角（）升力系数升力（0.001N）30.160750.26
15、21270.3601690.45521110.49623130.56526150.62929迎角（）升力系数升力（0.001N）-10.1294010.24175确定升力后F=12*v*S*C得出整机升力系数C。21升力系数表3.2-1不同迎角下尾翼升力系数及升力升力系数0.80.60.40.20.0-0.2-0.4-5051015迎角（）图3.2-1不同迎角下尾翼升力系数及升力3.3整机升力系数：以4角度差相加机翼和尾翼的升力，以机翼迎角确定整机迎角，迎角（）升力系数升力（0.001N）30.37411650.52916470.65420390.741230110.777241130.825
16、256150.858266170.890276190.912283升力系数表3.3-1不同迎角下整机升力系数及升力升力系数1.00.80.60.40.20.0-505101520迎角（）图3.3-1不同迎角下整机升力系数及升力22迎角（）阻升比系数阻力（0.001N）-10.3461810.2872430.2422950.2093470.1883790.17739110.17740130.18944150.21151170.24662190.29274阻升比3.4机翼阻升比：表3.4-1不同迎角下机翼阻升比系数及阻力阻升比0.360.340.320.300.280.260.240.220.20
17、0.180.16-505101520迎角（）图3.4-1不同迎角下机翼阻升比系数及阻力23迎角（）阻升比系数阻力（0.001N）-5-0.2863.7-3-0.1681.3-1-0.0550.210.0540.230.1601.150.2623.170.3605.890.4559.6110.49611.4130.56514.7150.62918.2阻升比3.5尾翼阻升比：表3.5-1不同迎角下尾翼阻升比系数及阻力阻升比0.80.60.40.20.0-0.2-0.4-5051015迎角（）图3.5-1不同迎角下尾翼阻升比系数及阻力24迎角（）阻升比系数阻力（0.001N）-10.54343.41
18、0.33750.630.25258.450.20968.470.18876.290.18384.2110.19091.6130.209107.2150.235124.8170.278153.4190.326184.43.6整机阻升比：以4角度差相加机翼和尾翼的阻力，以机翼迎角确定整机迎角，确定升力F=F*C后得出整机升力系数C。表3.6-1不同迎角下整机阻升比系数及阻力25阻升比阻升比0.550.500.450.400.350.300.250.200.15-505101520迎角（）图3.6-1不同迎角下整机阻升比系数及阻力3.7气动分析总结：要熟悉Tunnel软件，知道到自己设计的飞机的翼型
19、，选择自己的翼型进行升力系数和阻升比的测试。确定了翼型之后，再调节不同的迎角下模拟产生气流测试所需要的数值。值得注意的是在计算整机升力系数和阻升比的时候机翼的升力和尾翼的升力由于两翼角度差的原因不能直接相加，必须要以一定的角度差相加，然后代入公式计算出整机的升力系数和阻升比。将升力系数和阻升比系数全部用Origin软件处理得到曲线图。26四、电磁舵制作与小塑料件制作4.1电磁舵的工作原理：电流的磁效应(动电会产生磁)：任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场的现象，称为电流的磁效应。非磁性金属通以电流，却可产生磁场，其效果与磁铁建立的磁场相同。在通电流的长直导线周围，会有磁场产生，其磁力线的
20、形状为以导线为圆心一封闭的同心圆，且磁场的方向与电流的方向互相垂直。根据安培定则（又称右手定则），用右手握住导线，大拇指指向电流的方向(所以必须是直流电，电流的方向，在导线中是由正极流到负极)，其余四指所指的方向，即为磁力线的方向或磁针N极所受磁力的方向。图4.1-1通有电流的长直导线周围产生的磁场以右手握住线圈，四指指向导线上电流的方向，则大拇指所指即为磁力线方向27图4.1-2安培定则电生磁是导线里自由电子的定向移动造成的。通电导线磁性强弱跟下列因素有关：(1)电流大小通电导线中的电流越大，磁性越强；电流增大，磁性增强。(2)匝数多少当通电导线中的电流一定时，匝数越多，磁性越强；匝数增加，
21、磁性增强。通电导线磁极方向与电流方向有关。4.2电磁舵的制作过程：线圈的制作：1.将空心铜柱插入小塑料块中。图4.2-1线圈的制作1282.将标签纸贴在铜柱外侧，使铜柱在铜线圈成型后可以方便拔出而不会破坏铜线圈的整体性。图4.2-2线圈的制作23.将漆包线一头手按在塑料块上，然后用胶布固定，用漆包线逆时针在铜柱上缠十几圈以固定。图4.2-3线圈的制作34.将铜柱另一头插入绕线机中，然后将绕线机清零，左手左右移动来使漆包线均匀分布在铜柱上，右手均匀转动到300圈左右停止。图4.2-4线圈的制作4295.用热风机对着铜线进行吹风一分钟。图4.2-5，图4.2-6线圈的制作56.吹风后将铜柱从塑料块
22、中拔出。图4.2-7线圈的制作67.将铜柱从线圈内拔出，然后撕掉线圈内侧标签纸，线圈制作完成。图4.2-8完成好的线圈30摆动装置的制作：1.将订书针两头拧直。图4.2-9摆动装置的制作12.对着线圈将一边拧弯，离线圈边缘1mm左右。图4.2-10、图4.2-11摆动装置的制作23.靠着线圈，将大概过线圈长度的一半拧出来，另一边也是如此。图4.2-12、图4.2-13摆动装置的制作3314.将打印好的伞形塑料片锉一个凹槽图4.2-14摆动装置的制作45.将凹槽处放上刚锉好的订书针，滴上502固定。图4.2-15、图4.2-16摆动装置的制作56.将两个小磁铁固定在塑料片上，用AB胶固定。图4.
23、2-17制作好的摆动装置324.3电磁舵成品，以及装机效果：图4.3-1制作好的电磁舵图4.3-2电磁舵装机效果334.4电磁舵的制作总结：电磁舵的制作唯一要求就是要细心以及谨慎，一点失误都可能前功尽弃，导致之前所做的准备都白搭。其中有几个是关键步骤，其中贴标签纸这一步十分重要但是容易被忽略，但是如果这一步没做的话，极易导致最后铜柱与线圈脱离时导致线圈的损坏，而漆包线一旦断了，就必须重做了。其次是要自己选择适合的塑料原件（即图中伞形塑料片），要根据自己飞机的实际情况来定，而不能一味的选择王兴虎同学提供的，尤其是尾翼的材料，如果是泡沫就可以直接用透明胶，所以塑料原件的选择是十分灵活的，例如在三翼
24、机的电磁舵安装中，由于位置上有偏差，然后就改动了一下订书针的形状最后才能得到最佳的效果。34五、推力、转速测试5.1实验器材1.电压输出图5.1-1电压输出基本特性1.单路输出2.具有指针表头/LED数码管分别显示电压、电流3.使用简单，易操作等特点4.采用电流限制保护方法，限流点可以任意调节5.塑胶面框，外型新颖，简单美观6.彩色外包装7.体积小，重量轻基本参数输入电压220V10%频率50/60Hz输出电压连续可调DC:0-30V输出电流连续可调DC0-5A保护电流限流保护及短路保护电源效应0.01%+2mV负载效应0.01%+2mV纹波和噪声CV1MVRMS(有效值)环境温度-10-40
25、相对温度90%352.电子称图5.1-2电子称量程：2000*0.1g电池：2*AAA3.转数仪图5.1-3、图5.1-4转数仪【产品特征】1、此款非接触式数字转速计能够准确且快速地测试转动物体的转速/数2、此转速计运用了单片机技术，光电技术，激光技术3、两种测试模式：转速模式（单位：RPM）和计数模式（单位：REV）4、测量范围广，解析度高5、高亮度的LCD显示和背光灯6、可查看内部存储的最大值，最小值及最后测量值【技术指标】显示:5位数字LCD显示精度:(0.05%+1d)测试范围:299,999RPM计数范围:199,999REV分辨度:0.1RPM(2999.9RPM);1RPM(超过
26、1000RPM)36采样时间:0.5秒(超过120RPM)测试距离:50mm500mm时基:晶振功耗:大约45mA电源:9V电池或6V外部直流电使用温度范围:050尺寸:160x58x39mm重量:151g【操作说明】先贴一个反光标签到所测物体上，按下并保持MEAS键，使激光对准目标进行测试。注意：当前测试模式是上次所用模式。如果需要重新选择模式，必须松开MEAS键并在此表自动关机前（大约10秒）按MODE键，此时，可以在RPM和REV两种模式下进行切换。选择所需要的模式，按下MEAS键开始测试。按下MEM键能够读取上次测量的最大值、最小值和最后值。【测试相关事项】反光标签剪下一块大约12mm
27、（0.5）的正方形反光标签贴到所测物体上。a.不反光部分必须大于反光部分；b.如果所测没标本身是反光物体，那么在贴反光标签之前须将此目标用黑胶带覆盖，或涂一层黑漆；c.所贴反光标签的物体表面必须干净、平整。5.2工作原理图5.2-1工作原理这是一套飞机推力及转速测试系统，该系统由稳压器，杠杆机构，测速仪及电子称构成，主要是利用了杠杆平衡的原理。当螺旋桨转动时，会在杆件上产生一个转动力矩。而整个机构为了保持平衡，电子37称会施加一个大小相同，方向相反的力矩。又杠杆的两臂长度相同，所以电子称测得的值就是螺旋桨的推力。因飞机装载的电源额定电压为3.7伏。但是实际使用过程中，输出电压值会有一定的上下浮
28、动。选取4V来测量推力和转数。5.3测量过程图5.3-1测量过程1）将螺旋桨与接收机连接，将螺旋桨固定在杠杆的一端。2）将接收机与稳压器相连，打开稳压器，调节电压至4V。3）打开电子秤，清零，开始实验。4）推动遥控器油门，并推到最大位置，待待电子称数据稳定，记录在最大推力上，推力的数据。5）在螺旋桨桨叶上贴上反光片，用测速仪测定最大的转速。6）关闭电源，整理工作台。38最大推力/N转数r/min23.442605.4测量结果表5.4-1测量结果5.5实验结果分析1.飞机总重为17g，因而要保证飞机提供的升力大于17g。根据气动分析得到的整机升力，可以得到当飞机的迎角大于3时，飞机的升力满足这个要求。又飞机机翼的安装角为5，因此，在飞行过程中，迎角肯定不会小于7，因而飞机机翼能保证提供足够的升力来使飞机飞行。2.电源提供的额定电压为3.7伏，可以估计，当油门达到75%以上时，飞机螺旋桨的推力肯定大于10g。而根据气动分析得到的数据来看，飞机在各迎角状态下的阻力都小于这个值。因此可以得出这样的结论，飞机以额定电压工作时，螺旋桨的推力大于飞机所受阻力，飞机能够得到一个向前的力。39六、试飞验证图6.1-1指导老
