固定翼自由飛模型設(shè)計(jì)方法

蒲 寧 胡建龍

蒲寧（1981-）女，漢族，陜西省鳳翔縣人，中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，職稱：工程師，學(xué)位：碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)

固定翼自由飛模型設(shè)計(jì)方法

蒲 寧 胡建龍

蒲寧（1981-）女，漢族，陜西省鳳翔縣人，中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，職稱：工程師，學(xué)位：碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)

闡述了自由飛模型的研制現(xiàn)狀及模型的整體結(jié)構(gòu)，并對(duì)固定翼自由飛模型的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，通過(guò)對(duì)安裝此方法加工生產(chǎn)的模型進(jìn)行檢測(cè)及自由飛試驗(yàn)，表明設(shè)計(jì)方法合理，滿足模型飛行試驗(yàn)要求。

概述

自由飛模型是利用飛機(jī)的縮比模型在真實(shí)大氣中進(jìn)行的為獲取飛機(jī)參數(shù)的試驗(yàn)，從而保證一些飛機(jī)高難度動(dòng)作取得時(shí)的飛行安全，是最全面、可靠的試驗(yàn)研究方法。自由飛模型試驗(yàn)是在空中進(jìn)行的試驗(yàn)，與風(fēng)洞試驗(yàn)不同的是需要完成預(yù)定的飛行任務(wù)或動(dòng)作，不受支桿約束和影響，可以綜合模擬真實(shí)飛機(jī)的飛行。試飛過(guò)程中，模型要承受比較大的過(guò)載，要求模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，但同時(shí)要求結(jié)構(gòu)重量小。

現(xiàn)狀

需求現(xiàn)狀

在飛行器研制的發(fā)展過(guò)程中，自由飛試驗(yàn)起了重要作用。早在二十世紀(jì)初，各國(guó)已相繼研究飛機(jī)的模型自由飛試驗(yàn)，包括美國(guó)、俄羅斯、英國(guó)、法國(guó)、瑞典、荷蘭、澳大利亞，還有中國(guó)。其中，美國(guó)是開展自由飛試驗(yàn)研究起步最早、規(guī)模最大、收益最多的國(guó)家，自由飛模型試驗(yàn)研究成果為美國(guó)在整個(gè)航空和航天領(lǐng)域取得領(lǐng)先地位起到了十分重要的作用。

目前，我國(guó)新型號(hào)飛機(jī)都要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)及模型自由飛試驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行研究，有效降低飛機(jī)試飛風(fēng)險(xiǎn)，并為飛機(jī)設(shè)計(jì)和試飛提供技術(shù)支持。

研制現(xiàn)狀

自由飛模型的基本要求之一就是模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、強(qiáng)度大，目前用于自由飛模型的材料多為非金屬材料，用的較多的是玻璃鋼復(fù)合材料及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，這種材料質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，中間可加鋪高聚酯泡沫芯材，以達(dá)到減輕重量、增加強(qiáng)度的作用。

模型零部件由非金屬材料在模具內(nèi)鋪貼而成，為保證模型精度，模型生產(chǎn)的模具已由原來(lái)的手糊玻璃鋼模具改為金屬模具，金屬模具具有精度高不宜變形的特點(diǎn)，也可根據(jù)模型外形特點(diǎn)增加附件，可以使模型隨形，另外，設(shè)計(jì)模型時(shí)可以同時(shí)體現(xiàn)結(jié)構(gòu)框、梁位置，金屬附件的位置，用模具定位，位置準(zhǔn)確，精度高，可使模型部件具有良好的互換性。模型生產(chǎn)工藝采用糊制成型，常溫固化的方法，在模具上涂刷脫模劑，然后將使用的材料逐層鋪貼在模具上，然后進(jìn)行抽真空固化，固化好零件脫模，最終在模具內(nèi)進(jìn)行對(duì)合組裝。

固定翼自由飛模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自由飛模型是為飛機(jī)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)制造的模型，模型整體為玻璃鋼復(fù)合材料硬殼式結(jié)構(gòu)，同時(shí)配合使用木質(zhì)材料、航空層板及金屬材料等，活動(dòng)舵面主要材料為玻璃鋼復(fù)合材料填?yuàn)A高聚酯泡沫芯材。

設(shè)計(jì)過(guò)程需根據(jù)模型外形特點(diǎn)，協(xié)調(diào)模型各用途艙段與各部件、翼面的結(jié)構(gòu)關(guān)系；確定加強(qiáng)框、桁梁、口蓋的位置和結(jié)構(gòu)；各舵面運(yùn)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)方法如下。

總體布局

根據(jù)模型飛行要求，模型內(nèi)部要安裝小型測(cè)試系統(tǒng)、遙控系統(tǒng)及回收系統(tǒng)等，因此模型內(nèi)部必須有足夠大的空間，才能保證這些設(shè)備的合理安裝，所以在設(shè)計(jì)之初先考慮模型總體布局，各設(shè)備分布及各功能艙的位置、開設(shè)口蓋位置，內(nèi)部的安裝空間，傘艙位置和開傘方式，使模型各艙段內(nèi)的試驗(yàn)設(shè)備裝拆容易，便于進(jìn)行檢查、調(diào)試和試驗(yàn)，并由此劃分結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)框位置及儀器安裝位置。

根據(jù)此型飛機(jī)外形特點(diǎn)，模型上機(jī)身設(shè)計(jì)傘艙、設(shè)備艙、電池艙、開關(guān)艙四個(gè)艙口，下機(jī)身后部開有一個(gè)工藝口蓋；兩側(cè)機(jī)翼分別開有一個(gè)舵機(jī)艙及傳感器安裝口。

模型結(jié)構(gòu)分解

自由飛模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體要求是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工精度高，安裝定位準(zhǔn)確，裝拆方便，零部件互換性好，設(shè)計(jì)分離面的配合連接好，可以完全保證接連部分牢固可靠和精度要求。此型模型根據(jù)設(shè)備布局情況及數(shù)模外形，在總體結(jié)構(gòu)分為上、下機(jī)身，機(jī)頭，機(jī)翼，垂尾，平尾等幾大部件，根據(jù)分解情況設(shè)計(jì)模型接連方式及各部件結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模型部件分解完成后，根據(jù)各部件的外形特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮維修性設(shè)計(jì)要求，例如口蓋設(shè)計(jì)合理，既能保證強(qiáng)度又能滿足試驗(yàn)過(guò)程中模型維修方便的要求，模型的操縱舵面應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)的可更換整體部件，以便在舵面損壞時(shí)快速更換。

此型模型機(jī)身主體共設(shè)有10個(gè)結(jié)構(gòu)隔艙。其中包括1個(gè)回收傘艙，1個(gè)主儀器艙，1個(gè)后設(shè)備艙及平、垂尾伺服舵機(jī)艙，加機(jī)頭、機(jī)尾6個(gè)工藝艙口。副翼、方向舵為可控舵面，平尾為可控全動(dòng)平尾，單邊機(jī)翼下翼面配置1個(gè)伺服舵機(jī)艙口。機(jī)翼主梁通過(guò)螺栓與固定在機(jī)身結(jié)構(gòu)框上的翼核過(guò)渡梁相連，襟翼根據(jù)要求的角度固定在機(jī)翼上，副翼通過(guò)專用金屬件與機(jī)翼相連；垂尾與上機(jī)身垂尾銜接翼臺(tái)相連，方向舵通過(guò)轉(zhuǎn)軸與垂尾相連；平尾通過(guò)轉(zhuǎn)軸與機(jī)身相連。

圖1　機(jī)翼剖面示意圖

模型整體結(jié)構(gòu)分以下幾部分。

機(jī)頭部件

機(jī)頭設(shè)有兩個(gè)結(jié)構(gòu)框，安裝空速管支架，空速管支架設(shè)計(jì)有兩個(gè)連接耳片，分別與機(jī)頭內(nèi)部?jī)蓚€(gè)框板固連，保證支架安裝穩(wěn)固。

機(jī)身部件

機(jī)身設(shè)計(jì)，要考慮機(jī)身結(jié)構(gòu)及艙口位置。需根據(jù)整體布局確定傘艙位置，根據(jù)回收傘確定傘艙大小，最后設(shè)計(jì)開傘裝置及傘艙與機(jī)身連接方式。

機(jī)身沿構(gòu)造線分上、下兩半，殼體成形、安裝框板后對(duì)合成機(jī)身。上機(jī)身包含垂尾銜接翼臺(tái)、回收傘艙口、設(shè)備艙口等，下機(jī)身后段開有一個(gè)工藝艙口。回收傘艙設(shè)計(jì)為斗形傘艙，硬殼內(nèi)膽，受力均勻，艙口同時(shí)可兼顧開傘機(jī)構(gòu)的安裝。模型掛點(diǎn)及傘鉤所在的機(jī)身加強(qiáng)框均使用航空層板與金屬框固連的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，保證強(qiáng)度。設(shè)備艙用于安裝電子設(shè)備，設(shè)備艙底板根據(jù)模型外形設(shè)計(jì)，充分利用空間放置設(shè)備。后艙口主要用于安裝升降舵及方向舵舵機(jī)及維護(hù)。機(jī)身左側(cè)設(shè)計(jì)有傘帶槽。為增強(qiáng)模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、減小連接縫隙，傘艙設(shè)計(jì)為內(nèi)翻邊結(jié)構(gòu)，在機(jī)身上的凹槽與艙蓋緊密配合。這個(gè)內(nèi)翻邊結(jié)構(gòu)可以在模具內(nèi)實(shí)現(xiàn)一次成型。

機(jī)翼部件

機(jī)翼內(nèi)有4個(gè)肋1個(gè)主梁和一個(gè)加強(qiáng)梁，機(jī)翼安定面上下翼面對(duì)合處位于安定面前后緣，以搭接形式通過(guò)模具對(duì)合，同時(shí)與機(jī)翼加強(qiáng)梁形成盒體，用高溫膨脹膠粘接經(jīng)處理粘合為一體，由此可保證機(jī)翼的強(qiáng)度和抗變形性能。襟翼根據(jù)要求的角度固定在機(jī)翼上，副翼為夾層結(jié)構(gòu)，通過(guò)三組鉸鏈與機(jī)翼相連。機(jī)翼內(nèi)部預(yù)埋一個(gè)走線管，下一面開一個(gè)艙口，安裝舵機(jī)及角位移傳感器。

垂尾部件

垂尾為常規(guī)結(jié)構(gòu)，以弦平面為對(duì)合面左右對(duì)合，對(duì)合形式與機(jī)翼安定面工藝相同，垂尾根部有通過(guò)模具成型的機(jī)身垂尾定位銜接段以筒箱形式與機(jī)身固定。方向舵為夾層結(jié)構(gòu)，通過(guò)轉(zhuǎn)軸與垂尾相連。

平尾部件

平尾為夾層結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕、剛度好，可保證平尾的試驗(yàn)需求，與機(jī)身通過(guò)轉(zhuǎn)軸相連。

模型專用件設(shè)計(jì)

為保證模型零部件裝配強(qiáng)度與精度，設(shè)計(jì)生產(chǎn)專用金屬件，如翼身連接件、舵面連接件、平尾連接件、模型掛鉤等。此外還設(shè)計(jì)了連接銷座、銷管等專用件，用于平尾和方向舵的固定，還有傘構(gòu)、舵面轉(zhuǎn)軸、傳感器支架等專用件。

裝配方式

根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)確定各部件連接方式。自由飛模型對(duì)稱性要求很高，機(jī)翼安裝位置精度直接影響了模型整體的對(duì)稱性，在機(jī)翼的部件制作及安裝過(guò)程中，設(shè)計(jì)翼核過(guò)渡梁，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)件與機(jī)翼固定連接來(lái)保證機(jī)翼的安裝精度，機(jī)翼主梁連接結(jié)構(gòu)如下圖所示。

機(jī)頭部件、垂尾部件、平尾部件與模型機(jī)身連接也均是用在模具定位的專用金屬件進(jìn)行連接，保證了模型的精度及裝配的互換性。

鋪層設(shè)計(jì)

模型零部件由玻璃鋼復(fù)合材料在模具內(nèi)鋪貼而成，利用玻璃鋼復(fù)合材料獨(dú)特的隨形特性，可將模型外形敷制成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，以充分提高產(chǎn)品的整體強(qiáng)度。為保證各部件的強(qiáng)度和剛度分布合理，根據(jù)模型制作技術(shù)要求、形狀和承載需求進(jìn)行模型鋪層設(shè)計(jì)及局部厚加強(qiáng)處理。

機(jī)身內(nèi)外通體為玻璃鋼復(fù)合材料，保證機(jī)身部件的傘艙、設(shè)備艙等艙口統(tǒng)一，和翼身銜接處均在部件模具中一次成型，為保證機(jī)身開口處的局部強(qiáng)度，各開口四周鋪貼碳布增強(qiáng)。副翼、平尾、方向舵主要材料為玻璃鋼復(fù)合材料填?yuàn)A高聚酯泡沫芯材， 在后緣處鋪貼碳布增強(qiáng)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)加工完成的模型進(jìn)行外形的檢驗(yàn)，證明模型精度符合要求，滿足模型設(shè)計(jì)基本條件；

模型實(shí)際加工裝配及后期設(shè)備安裝過(guò)程證明模型總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，測(cè)試設(shè)備安裝方便，便于維護(hù)；

模型的成功試飛表明模型結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度滿足技術(shù)要求及模型試飛要求。

此型自由飛模型的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試飛為保證飛行安全起到了重要作用，試驗(yàn)證明模型表明設(shè)計(jì)方法合理，滿足模型飛行試驗(yàn)要求。

圖2　機(jī)翼主梁連接結(jié)構(gòu)示意圖

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.007