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室內(nèi)微小模型飛機(jī)的設(shè)計(jì)與制作 (8) 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 2014 年 7 月 21日 8 月 2 日,同濟(jì)大學(xué)飛機(jī)制造專業(yè)新一屆微小飛機(jī)設(shè)計(jì)與制作課程再次成功實(shí)施。吸取了上屆的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),這屆課程無論是教學(xué)內(nèi)容還是形式上都有很大改進(jìn),除保留了已有的室內(nèi)模型滑翔機(jī)、紙飛機(jī)制作以及風(fēng)箏氣動(dòng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容外,還新增了超級(jí)電容自由飛模型飛機(jī)的制作,并對(duì)微小模型飛機(jī)設(shè)計(jì)、制作環(huán)節(jié)的內(nèi)容做了調(diào)整。整個(gè)課程中,同學(xué)們先后制作了 60余架紙飛機(jī)、 20 余架超級(jí)電容自 由飛模型飛機(jī)、 12架生肖卡通模型飛機(jī)、 1 架巨型人形模型飛機(jī)、 1 架全動(dòng)傘翼機(jī)以及 1 架 3D打印模型旋翼機(jī)。 課程強(qiáng)調(diào)理論結(jié)合實(shí)際、手腦并用,既考慮到知識(shí)性、趣味性,又通過 12生肖卡通模型飛機(jī)、巨型人形模型飛機(jī)及 3D打印模型旋翼機(jī)的制作實(shí)現(xiàn)了新突破,培養(yǎng)了學(xué)生科技藝術(shù)素養(yǎng)、挑戰(zhàn)自我精神以及創(chuàng)新思維,深受大家的喜愛。同時(shí),該課程還被中新網(wǎng)、人民網(wǎng)、解放網(wǎng)、鳳凰網(wǎng)等眾多主流網(wǎng)絡(luò)媒體關(guān)注和報(bào)道。 整個(gè)課程期間,先后舉辦了兩次比賽。一次是室外超級(jí)電容自由飛模型飛機(jī)大賽,另一次為室內(nèi) 12 生肖模型飛機(jī)試飛視頻大賽(暨微型飛機(jī)設(shè)計(jì)與制作課程作品展,圖1、圖 2)。 下面對(duì) 2014 年同濟(jì)大學(xué)微小飛機(jī)設(shè)計(jì)與制作課程設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)做進(jìn)一步披露,并將課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)整理出來與廣大航空愛好者分享,也供相關(guān)高校設(shè)立類似課程參考借鑒。 循序漸進(jìn) 現(xiàn)有教育體制下,我國(guó)學(xué)生,特別是中學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)嚴(yán)重縮水。即便是上了大學(xué),低年級(jí)學(xué)生中仍有很大一部分人連電烙鐵、臺(tái)鉆等基本工具都未接觸過。加之學(xué)生個(gè)體基礎(chǔ)參差不齊,因此要使所有的學(xué)生在兩周( 10個(gè)工作日)內(nèi)真正學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)、制作室內(nèi)模 型飛機(jī),進(jìn)而掌握飛機(jī)設(shè)計(jì)的基本要領(lǐng),并非易事。 為此,老師結(jié)合航空專業(yè)低年級(jí)學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備及能力水平,精心設(shè)計(jì)出一套由易到難、循序漸進(jìn)的教學(xué)計(jì)劃與方案,具體如下: 第一階段,利用半天時(shí)間讓每個(gè)同學(xué)制作最簡(jiǎn)單的無動(dòng)力飛行器 紙飛機(jī)和室內(nèi)模型滑翔機(jī); 第二階段,利用一天時(shí)間教同學(xué)們用氣動(dòng)軟件設(shè)計(jì)風(fēng)箏; 第三階段,利用一天時(shí)間讓同學(xué)們分組制作超級(jí)電容自由飛模型飛機(jī)(可稱其為 “ 半動(dòng)力 ” 模型),并舉行自由飛模型飛機(jī)大賽。 最后階段,利用 7 天半時(shí)間,帶領(lǐng)同學(xué)們分組完成 一次完整的電動(dòng)遙控室內(nèi)模型飛機(jī)的設(shè)計(jì)、制作與試飛全過程。 以上各階段,老師在課堂上穿插講解要領(lǐng),隨時(shí)解決同學(xué)們?cè)谀P惋w機(jī)設(shè)計(jì)、制作中遇到的各種難題,并集中組織學(xué)生們進(jìn)行比賽和試飛。 經(jīng)過上述 “ 無動(dòng)力 到 風(fēng)動(dòng)力 ,再到 半動(dòng)力 和電動(dòng)遙控模型飛機(jī) ” 的親身設(shè)計(jì)、制作體驗(yàn),同學(xué)們對(duì)航模的設(shè)計(jì)、制作有了全新的體會(huì)。而老師也希望同學(xué)們藉此對(duì)實(shí)際飛機(jī)的研制思路和流程有所感悟。 ( 1)無動(dòng)力飛行器 紙飛機(jī)和室內(nèi)模型滑翔機(jī) 紙飛機(jī)和室內(nèi)模型滑翔機(jī)是大家兒時(shí)經(jīng)常做的游 戲。嚴(yán)格地講,它們都屬于無動(dòng)力飛行器。這屆課程中之所以增加此項(xiàng)內(nèi)容,是希望學(xué)生們通過親身實(shí)踐,了解和體會(huì)重心對(duì)飛機(jī)穩(wěn)定性的重要性,以及飛機(jī)的基本飛行原理。圖 3 是同學(xué)們制作的紙飛機(jī)和室內(nèi)模型滑翔機(jī)。上期已有過簡(jiǎn)要介紹,其具體折法網(wǎng)上有不少教程,有興趣的讀者可訪問如下網(wǎng)址學(xué)習(xí): “ 復(fù)仇者 ” 紙飛機(jī)的折法可訪問 http://album/546ae1857c0de81148f28c61.html? picindex=1,小型手工折紙室內(nèi)模型滑翔機(jī)的演示及制作視頻為 http://show/8nUzWrI_hJgTcrhkUFoctQ.html。 ( 2)風(fēng)箏氣動(dòng)設(shè)計(jì) 風(fēng)箏是一種系留的風(fēng)動(dòng)力飛行器,其設(shè)計(jì)、制作背后飽含了豐富的空氣動(dòng)力學(xué)原理。有風(fēng)箏制作經(jīng)歷的人都知道,任何風(fēng)箏都不可能隨便一做就能成功上天。它涉及到風(fēng)箏的形狀與大小、重量與重心、迎角、風(fēng)向與風(fēng)力、系留繩的布置與連接位置等諸多因素。說得更深點(diǎn),就是要把握好風(fēng)箏拉力、升力與阻力之間的關(guān)系,以及其受到空氣擾動(dòng)后橫向與縱向的回復(fù)力矩。其中,風(fēng)箏拉力、升力、阻力間的關(guān)系直接決定其是否能夠上天,而橫 向與縱向的回復(fù)力矩則直接影響其在空中飛舞的穩(wěn)定性。課程中,讓學(xué)生使用 Kite Modeler 氣動(dòng)軟件設(shè)計(jì)風(fēng)箏,就是希望大家能更深入地體會(huì)到這一點(diǎn)。 Kite Modeler 氣動(dòng)軟件內(nèi)建有 7 種風(fēng)箏構(gòu)型(圖 4圖 10)。它們分別是盒子風(fēng)箏( Box Kite)、三角風(fēng)箏( Detla Kite)、雪橇風(fēng)箏( Sled Kite)、鉆石風(fēng)箏( Diamond Kite)、雙陷阱風(fēng)箏( Twin-trap Kite)、雙盒子風(fēng)箏( Double-box Kite)和風(fēng)滾草風(fēng)箏( Tumbleweed Kite)。上期已 對(duì)相關(guān)內(nèi)容做過簡(jiǎn)要介紹,若僅想親手設(shè)計(jì)并制作一架能飛起來的風(fēng)箏,只需再結(jié)合相關(guān)圖片即可完成。如果還想進(jìn)一步了解風(fēng)箏設(shè)計(jì)背后的空氣動(dòng)力學(xué)原理,建議登陸美國(guó) NASA 的相關(guān)網(wǎng)站 http: /./K-12/airplane/kiteprog.html 仔細(xì)研究。 ( 3)超級(jí)電容自由飛模型飛機(jī) 超級(jí)電容是一種新型靜電型高密度能量?jī)?chǔ)存器,以附有活性碳膜的金屬薄片作為正負(fù)電極。它比普通電解電容器儲(chǔ)存的電能要高得多,一般可達(dá)后者的 1 000 倍以上。由于超級(jí)電容的充電時(shí)間極為迅速, 僅需幾十秒至數(shù)分鐘,因此已在數(shù)碼產(chǎn)品、掌上電子產(chǎn)品、電磁閥的應(yīng)急供電及精密儀器等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。 而用超級(jí)電容做電源的自由飛模型飛機(jī)實(shí)際上幾年前就已出現(xiàn)。在一些航模論壇中,網(wǎng)友們分享過不少自己的超級(jí)電容自由飛模型制作經(jīng)驗(yàn);甚至個(gè)別中學(xué)的科學(xué)課也將它納入其中。 作為無動(dòng)力模型飛機(jī)與遙控電動(dòng)模型飛機(jī)之間的一個(gè)過渡環(huán)節(jié),老師將超級(jí)電容自由飛模型飛機(jī)的制作首次納入課程體系,主要目的是希望學(xué)生親身體會(huì)模型飛機(jī)操縱面偏轉(zhuǎn)與其飛行姿態(tài)間的關(guān)系。超級(jí)電容自由飛模型制作簡(jiǎn)單,有一定的滯空時(shí)間。因其滯空時(shí)間 、飛行姿態(tài)可分別通過電容充電時(shí)間與尾翼迎角(偏角)等進(jìn)行調(diào)節(jié),故更具趣味性(圖 11)。 ( 4)遙控電動(dòng)卡通模型飛機(jī) 在課程作品展上,同學(xué)們自行設(shè)計(jì)制作的 12生肖卡通模型飛機(jī)成為一大亮點(diǎn)。這 12架卡通模型均為固定翼,翼展和機(jī)長(zhǎng)在 300 400mm。除 “ 飛牛機(jī) ” 外,其余幾架均呈盤狀。在設(shè)計(jì)中, 12 組同學(xué)充分發(fā)揮自己的想象力,根據(jù) 12生肖動(dòng)物的形態(tài),將動(dòng)物的卡通形象融入各自的模型飛機(jī)中。所有的模型均采用 2.4G 無線遙控及 6 通道微型接收機(jī),遙控范圍約數(shù)百米,適于室外飛行。這些可愛的動(dòng)物卡通飛機(jī)個(gè)個(gè)形 象逼真,圖 12圖 16 是其中的幾款,有的張牙舞爪、有的可憐伊人、有的神態(tài)張揚(yáng)。 12架卡通模型飛機(jī)的布局構(gòu)思也不相同。 “ 飛牛機(jī) ” 的三角形機(jī)翼上是一幅怒氣沖沖的公牛圖案,牛角為模型的升降舵與副翼; “ 飛虎機(jī) ” 以卡通虎的形象作為盤形機(jī)翼,用老虎夸張的尾巴作為機(jī)身; “ 飛猴機(jī) ” 的機(jī)翼則是一個(gè)頑皮的披著斗篷的小猴,機(jī)身巧妙地用其尾巴和香蕉構(gòu)成 為了減輕重量,所有卡通模型飛機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼均采用 3mm 厚的 D 板( Depron 泡沫板)制作;電池選用 7.4V 鋰電池;發(fā)動(dòng)機(jī)為 9g微型無刷電機(jī),可提供約 80g 拉力;發(fā)動(dòng)機(jī)架 用 3mm 厚的層板制成。 全動(dòng)傘翼機(jī)與 3D打印微型模型旋翼機(jī) 本屆課程中,有一組同學(xué)的任務(wù)是將一架翼展 1.5m 的三角形風(fēng)箏改裝成遙控全動(dòng)傘翼機(jī)(圖 17、圖 18)。這項(xiàng)任務(wù)不僅僅是在風(fēng)箏上增加一套機(jī)身、動(dòng)力、起落架和操縱機(jī)構(gòu)那么簡(jiǎn)單。要使改裝后的模型具有良好的飛行性能,除了考慮模型的動(dòng)力與阻力、重力與升力之間的匹配關(guān)系外,還要考慮整機(jī)的重心與穩(wěn)定性。值得一提的是,這架傘翼機(jī)有別于普通的傘翼機(jī),采用了全動(dòng)傘翼控制技術(shù),即僅通過傘翼的俯仰和側(cè)傾就能實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)飛行姿態(tài)的控制。這樣可以減 少模型飛機(jī)的舵面數(shù)量,從而提高可靠性。 另一組同學(xué)的任務(wù)是研制一架微型 3D打印模型旋翼機(jī)(圖 19、圖 20)。目前國(guó)內(nèi)外采用 3D打印技術(shù)直接研制模型飛機(jī)并試飛成功的并不多見,而 3D打印模型旋翼機(jī)就更是聞所未聞了。為此,該小組同學(xué)先試制了一架常規(guī)碳纖桿結(jié)構(gòu)的微型旋翼機(jī),隨后參照它以及 3D打印技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模,進(jìn)而得到 3D打印旋翼機(jī)的骨架模型。接下來,打印出整機(jī)的骨架,并裝上一對(duì)直徑 6mm 的 614 空心杯微型電機(jī),以提供拉力。通過 2.4G 無線電遙控這兩個(gè)微型電機(jī),即可控制模型的升降與航向。特別是航 向控制,由兩個(gè)電機(jī)的差動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。在機(jī)頭頂端,加裝了一根直徑 1mm 的細(xì)碳桿軸以支撐直徑 200mm 的旋翼,并為模型提供所需的升力。整機(jī)的能源來自一個(gè) 3.7V 微型鋰電池(重約 2g)。目前,這架3D打印模型旋翼機(jī)已完成了初步試飛。 巨型 “ 飛人 ” 模型飛機(jī) 2014 年 7 月 31日清晨,在同濟(jì)大學(xué)南校區(qū)操場(chǎng), “ 飛人 ” 組的同學(xué)們成功放飛了一架奇特的模型飛機(jī)(圖 21)。整架模型的輪廓為人形,高約 3.5m、臂長(zhǎng) 1.6m,個(gè)頭約為普通人的兩倍,十分驚人,堪稱此類模型飛機(jī)中的巨無霸。同學(xué)們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里組裝調(diào)試時(shí), 它只能平 “ 躺 ” 著。因?yàn)樘旎ò甯叨戎挥?3 米,巨型 “ 飛人 ” 根本無法 “ 站 ” 起來(圖22、圖 23)。 這架巨型 “ 飛人 ” 機(jī)體材料為 5mm 厚的 KT板,從正面看是一個(gè)雙手下垂的男子模樣。 “ 飛人 ” 的小腿及腳外側(cè)設(shè)置有兩個(gè)操縱面,采用副翼與升降舵混控模式控制整機(jī)的橫滾和升降。 “ 飛人 ” 的身體和雙臂為主升力面, “ 掏空 ” 的胸部用于安裝發(fā)動(dòng)機(jī)、鋰電池組及其它載荷。 由于整架 “ 飛人 ” 體型龐大,而 KT板相對(duì)較薄,容易變形,因此同學(xué)們對(duì)它的手臂及胸部等部位使用碳纖管及輕木條進(jìn)行加固。這架巨型 “ 飛人 ” 動(dòng)力系統(tǒng)配置為: 1 個(gè) 大功率 4250 無刷電機(jī)配直徑 250mm 的木質(zhì)螺旋槳、 6S/22.2V 鋰電池、 60A 電調(diào),遙控設(shè)備為天地飛 2.4G 遙控器及 6 通道接收機(jī)。整機(jī)總重量約 3kg。 新一屆課程使航空專業(yè)學(xué)生親身經(jīng)歷了一輪微縮簡(jiǎn)化版的飛機(jī)設(shè)計(jì)、研制、試飛全過程??此剖窃诮虒W(xué)生制作會(huì)飛的遙控玩具,但這種 玩具 的設(shè)計(jì)、制作卻與普通模型愛好者完全不同。它除了要求學(xué)生制作、試飛成功微小遙控模型飛機(jī)外,更強(qiáng)調(diào)氣動(dòng)分析、推力測(cè)試、 CAD建模等飛機(jī)的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。而將動(dòng)物卡通形象融入飛機(jī)設(shè)計(jì),則主要是為增加課程的趣味性,同時(shí)對(duì)工科學(xué)生的科技 藝術(shù)修養(yǎng)來說也是一次小小的挑戰(zhàn)。 總體來說,同濟(jì)大學(xué) 2014 年的微小飛機(jī)設(shè)計(jì)與制作課程設(shè)計(jì)開展得非常成功。然而受資金、課時(shí)及課程經(jīng)驗(yàn)等因素限制,一些細(xì)節(jié)仍有待進(jìn)一步完善。具體可概括為: 1)風(fēng)箏設(shè)計(jì)雖已成為課程的一部分,但制作環(huán)節(jié)一直未能引入,存在遺憾。值得注意的是,目前國(guó)內(nèi)外還出現(xiàn)了一種 “ 動(dòng)力風(fēng)箏 ” 。這種動(dòng)力風(fēng)箏的設(shè)計(jì)、制作技術(shù)一旦發(fā)展成熟,也有望引入課程之中。 2)本屆課程中首次加入了超級(jí)電容自由飛模型飛機(jī)制作,但主要以仿制為主?;趧?dòng)力系統(tǒng)性能測(cè)試與飛機(jī)氣動(dòng)性能分析的 超級(jí)電容自由飛模型設(shè)計(jì)僅嘗試性地投入了少量人力、物力,定量設(shè)計(jì)尚未全面引入。 3)課程中,遙控模型飛機(jī)采用了集中試飛的模式,即請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的飛手在指定時(shí)段與地點(diǎn)試飛,統(tǒng)一檢驗(yàn)?zāi)P惋w機(jī)的性能,解決了同學(xué)們?cè)谀P惋w機(jī)設(shè)計(jì)、制作完成后的 “ 后顧之憂 ” 。然而,其缺點(diǎn)也顯
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