探究鴨式布局模型飛機(jī)

祁浩宇　劉赫

在2016年全國(guó)“科研類”航空航天模型錦標(biāo)賽上，筆者印象最深的是北京航空航天大學(xué)代表隊(duì)使用新型復(fù)合材料制作的極限載重模型飛機(jī)。它勾起了筆者之前關(guān)于鴨式布局飛行器的一個(gè)突發(fā)奇想：如果飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)足夠優(yōu)秀，是不是能打破載重模型飛機(jī)在布局上的桎梏，制作一款鴨式布局載重飛行器？

為此，筆者根據(jù)鴨式布局飛行器的飛行原理和氣動(dòng)性能特點(diǎn)，通過(guò)比較鴨式布局與常規(guī)布局設(shè)計(jì)在各方面的優(yōu)劣，確定了這款飛行器的設(shè)計(jì)方案。該試驗(yàn)的最終目標(biāo)，是利用非常規(guī)布局增升減阻，讓鴨式布局飛行器提供高于同規(guī)格常規(guī)布局飛行器的升力。

初步設(shè)計(jì)方案

在搜集資料的過(guò)程中，筆者重點(diǎn)了解了飛機(jī)的飛行原理以及非常規(guī)布局飛行器的性能特點(diǎn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，飛機(jī)之所以能翱翔在天空，是因?yàn)榱鹘?jīng)機(jī)翼上下表面的氣流速度有差異，導(dǎo)致上下表面出現(xiàn)了壓力差，從而產(chǎn)生升力。

在方案設(shè)計(jì)階段，航模隊(duì)的前輩建議筆者采用遠(yuǎn)距耦合鴨翼無(wú)尾式布局。這里所說(shuō)的遠(yuǎn)距耦合鴨翼布局，指的是鴨翼與主翼的距離超過(guò)了一個(gè)鴨翼的寬度。由于鴨翼離主翼距離較遠(yuǎn)，因此二者間在氣動(dòng)力上的干擾比較簡(jiǎn)單，各翼面參數(shù)的匹配相對(duì)容易。許多鴨式布局的現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)都采用了遠(yuǎn)距耦合布局，如歐洲戰(zhàn)機(jī)公司（英、德、意、西四國(guó)合作）的“臺(tái)風(fēng)”。

在遠(yuǎn)距耦合布局中，鴨翼不僅本身產(chǎn)生升力，其翼尖渦還會(huì)對(duì)流向主翼的空氣產(chǎn)生一些有利的氣動(dòng)干擾。由于鴨翼和主翼都能提供向上的升力，因此全機(jī)升力作用點(diǎn)在重心之前，有抬頭趨勢(shì)。在設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)增加主翼升力獲得低頭力矩的方法平衡，而這一舉措會(huì)形成一個(gè)機(jī)翼彎度，有利于減小全機(jī)的配平阻力。簡(jiǎn)而言之，相比常規(guī)布局飛行器，采用遠(yuǎn)距耦合鴨式布局的飛行器升阻比更高。除此之外，遠(yuǎn)距耦合鴨式布局的鴨翼安裝角通常大于主翼安裝角。如此鴨翼會(huì)先于主翼失速，有利于防止全機(jī)陷入失速尾旋。

在初步設(shè)計(jì)方案中，試驗(yàn)機(jī)主翼采用了經(jīng)典的Clark-Y翼型。這種翼型的橫切面上彎下平，最大翼弦位置在20%弦長(zhǎng)處。模型飛機(jī)的整體布局是鴨翼在前、主翼在后。為了增加升力，鴨翼的水平位置高于主翼。

模型制作過(guò)程

首先制作機(jī)身和主翼，材料為KT板。用KT板制作航模價(jià)格低廉、易修復(fù)，常被用于驗(yàn)證機(jī)。

制作時(shí)，先將設(shè)計(jì)好的模型飛機(jī)CAD三維圖轉(zhuǎn)換成二維平面圖，然后將其導(dǎo)入激光雕刻機(jī)，得到機(jī)身和主翼的零部件。接著按照模型飛機(jī)三視圖，將機(jī)身和主翼分別組裝好，粘合劑為熱熔膠。這種膠價(jià)格低廉，在五金店就能買到，適合用于泡沫和泡沫間，或者泡沫和木材間的粘合。

由于KT板的強(qiáng)度有限，因此在主翼前緣三分之一處須加1根直徑2mm的碳桿，用于加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。主翼蒙皮采用吹塑紙。雖然吹塑紙比普通機(jī)翼蒙皮重，但是其簡(jiǎn)單牢固、強(qiáng)度大，且在試驗(yàn)過(guò)程中便于更換、造價(jià)低廉，是理想的驗(yàn)證機(jī)蒙皮材料。鴨翼的制作方法與主翼類似，在此不再贅述。

分別做好機(jī)身、主翼、鴨翼和連接用的水艙后，就可以進(jìn)行模型飛機(jī)的組裝了。之后需添加舵機(jī)、電調(diào)等電子設(shè)備。驗(yàn)證機(jī)使用的動(dòng)力電機(jī)是朗宇2212電機(jī)，搭配8060塑料雙葉槳。與常規(guī)布局飛行器相同，驗(yàn)證機(jī)的電機(jī)固定在機(jī)身前端，稍帶右拉角。安裝完起落架等組件，模型飛機(jī)就做好了。

第一輪驗(yàn)證飛行

在第一輪驗(yàn)證飛行中，驗(yàn)證機(jī)的問(wèn)題出現(xiàn)在起飛過(guò)程。當(dāng)模型飛機(jī)滑行到一定速度時(shí)，其迎角瞬間變大，同時(shí)機(jī)身劇烈傾斜，最終整架模型翻轉(zhuǎn)并摔落在地面。該問(wèn)題每次都會(huì)發(fā)生，導(dǎo)致驗(yàn)證機(jī)無(wú)法順利升空。

在尋找問(wèn)題原因的過(guò)程中，筆者發(fā)現(xiàn)模型飛機(jī)突然抬頭是因?yàn)檫^(guò)重的配重塊。這架驗(yàn)證機(jī)的配重塊布置在主翼上方，且重量很大，造成模型飛機(jī)在地面加速過(guò)程中產(chǎn)生了一個(gè)較大的抬頭力矩，還沒(méi)起飛就翻折。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，筆者發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計(jì)的鴨式布局飛行器推重比很小，翼載荷卻極大，甚至高于常規(guī)布局飛行器。推重比直接影響模型飛機(jī)的性能：大推重比模型的加速性能好，可更快升空并達(dá)到最大飛行速度。翼載荷則影響了模型飛機(jī)的失速速度和爬升率。推重比過(guò)小，翼載荷又過(guò)大，二者的解決方法都是要給模型飛機(jī)減重。

為此，筆者在主翼后增加了一段機(jī)身，并在其上放置配重塊，既保證了全機(jī)重心仍在主翼的水艙處，又減少了配重重量。最后全機(jī)起飛重量減小了約50g。

第二輪驗(yàn)證飛行

在第二輪驗(yàn)證飛行中，驗(yàn)證機(jī)的問(wèn)題依然出現(xiàn)在起飛過(guò)程。模型飛機(jī)在滑跑中出現(xiàn)機(jī)身側(cè)旋，導(dǎo)致起飛失敗。具體情況是模型飛機(jī)還未加速到起飛速度就向右側(cè)旋，加之操縱手不熟悉鴨式機(jī)的性能，模型很容易在這一瞬間失控。

筆者專門錄了驗(yàn)證機(jī)的起飛視頻。反復(fù)回放后，發(fā)現(xiàn)在滑跑過(guò)程中模型飛機(jī)向右側(cè)旋有兩個(gè)直接原因。一方面，模型飛機(jī)加速時(shí)，流經(jīng)方向舵左右面上的氣流導(dǎo)致其自動(dòng)打舵，滑行方向偏移；另一方面，筆者在設(shè)計(jì)模型機(jī)頭部分的拉力線時(shí)，仍然按照常規(guī)布局的思維，人為添加了一個(gè)向右的側(cè)拉。由于在起飛滑跑時(shí)，模型飛機(jī)始終在距地面1米的高度范圍內(nèi)，因此在速度積累的過(guò)程中很容易產(chǎn)生右側(cè)旋。除此之外，模型的前起落架設(shè)計(jì)得太高，造成全機(jī)左右搖擺，操縱手只能用方向舵不斷修正。而這架驗(yàn)證機(jī)因轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，容易在起飛時(shí)向左偏轉(zhuǎn)，使得操縱手不得不用右舵修正。

雖然找到了直接原因，但是要根本解決問(wèn)題，還是得從飛機(jī)設(shè)計(jì)的理論和經(jīng)驗(yàn)入手。在前輩的點(diǎn)撥下，筆者認(rèn)為該問(wèn)題的根本原因是機(jī)翼面積過(guò)小、螺旋槳扭矩過(guò)大、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高……嘗試換了一個(gè)扭矩較小（槳葉面扭轉(zhuǎn)較為平緩）的螺旋槳后，這個(gè)問(wèn)題得到了很大改善。

其他問(wèn)題和解決方法

通過(guò)增加一段機(jī)身和更換螺旋槳，模型飛機(jī)不僅大幅減重，而且起飛更平穩(wěn)。改造后，已能平穩(wěn)地滑跑起飛，并可在離地面兩米的高度短暫飛行。不過(guò)這只是試驗(yàn)中前進(jìn)的一小步，之后筆者對(duì)這種鴨式布局飛行器又做了不少設(shè)計(jì)上的改進(jìn)。

1.機(jī)翼

在試驗(yàn)初期，模型飛機(jī)采用的是盒式機(jī)翼，主翼和水艙直接連接。后期筆者在主翼上加了一個(gè)平臺(tái)，讓其與水艙平行粘接，使水艙與主翼的連接更牢固，水艙位置也更準(zhǔn)確。之后又在模型主翼上增加了兩個(gè)翼刀作為安定面，減輕了模型飛機(jī)在整個(gè)飛行過(guò)程中的側(cè)旋傾向。

2.機(jī)身

先是在水艙位置加了整流罩，降低了全機(jī)阻力。后因筆者懷疑是方向舵的粘連方式造成流經(jīng)其左右的氣流速度不同，從而方向舵自動(dòng)打舵，使得模型飛機(jī)容易側(cè)旋。故又加厚了方向舵，并確保其左右對(duì)稱。

由于采用了遠(yuǎn)距耦合鴨翼布局，因此模型飛機(jī)的前起落架和主起落架的距離較遠(yuǎn)，且前起落架做得很高，方向性很差。解決方法是提高起落架的制作精度并加固前起落架。

在前兩輪驗(yàn)證飛行中，模型飛機(jī)的機(jī)身全部都使用KT板制作。然而因?yàn)镵T板強(qiáng)度低，所以導(dǎo)致模型機(jī)身頻頻折斷。在之后的試驗(yàn)中，筆者改用KT板加木板制作，提高了機(jī)身強(qiáng)度。

3.配重和重心

在設(shè)計(jì)方案中，鴨式布局驗(yàn)證機(jī)的重心在機(jī)身中軸線上，靠近主翼。初期筆者嘗試在主翼上放置配重塊，卻發(fā)現(xiàn)會(huì)影響主翼升力：于是將配重塊轉(zhuǎn)移到水艙下部緊貼主翼的地方，但配重量一度達(dá)到1.635kg，嚴(yán)重增加了全機(jī)起飛重量。后期，配重塊被移到主翼后邊，并利用加出來(lái)的一節(jié)機(jī)身（兩根碳管）增大力矩、減輕配重量，效果顯著。

4.控制和穩(wěn)定

考慮到要在水艙上方快速裝載水袋，垂直安定面裝在了前起落架位置。這樣一來(lái)，模型飛機(jī)的操縱性雖然得到增強(qiáng)，橫向穩(wěn)定性卻降低了。在試驗(yàn)過(guò)程中，筆者給模型飛機(jī)增加了1個(gè)A3 Super陀螺儀，嘗試用它的自穩(wěn)功能來(lái)改善模型的穩(wěn)定性。最后通過(guò)逐漸增大陀螺儀的感度和舵機(jī)行程，改善了模型飛機(jī)的飛行穩(wěn)定性。增大了陀螺儀的感度和舵機(jī)行程后，還需給模型飛機(jī)提供足夠的升力、改善飛行姿態(tài)，因此對(duì)鴨翼也做了多次更改，加大了升力面。

鴨式布局飛行器是筆者的一次飛行器設(shè)計(jì)探究性試驗(yàn)。之前做的大量前期設(shè)計(jì)和方案，大部分都用到了驗(yàn)證機(jī)上。在試驗(yàn)過(guò)程中，驗(yàn)證機(jī)墜毀了很多次，但每一次失敗都成為下一架模型飛機(jī)的改善依據(jù)。從最初的無(wú)法起飛，到最后能離地飛行一段，驗(yàn)證機(jī)有了眾多版本和改進(jìn)型，制作工藝也一直在提高。

通過(guò)這次探究性試驗(yàn)，筆者逐一驗(yàn)證了許多設(shè)計(jì)方案，積累了鴨式布局飛行器的制作和飛行經(jīng)驗(yàn)，如采用鴨翼在前、主翼在后，鴨翼的水平位置高于主翼且安裝角大于主翼的設(shè)計(jì)方案。這種遠(yuǎn)距耦合鴨翼布局飛行器能獲得比常規(guī)布局飛行器更大的升力。

目前這款鴨式布局驗(yàn)證機(jī)仍存在一些問(wèn)題：模型飛機(jī)起飛迎角過(guò)大的問(wèn)題尚未得到徹底解決，還是容易向后翻折；操控難度較大，模型易失控；平飛時(shí)會(huì)有一段波狀飛行狀態(tài)，說(shuō)明全機(jī)配平還需微調(diào)；在有風(fēng)環(huán)境中方向舵仍會(huì)受到影響，導(dǎo)致模型飛機(jī)的飛行方向出現(xiàn)偏差；陀螺儀不太適合鴨式布局飛行器等。這些問(wèn)題都有待筆者和模友們共同解決。