航模結(jié)構(gòu)材料的選擇與加工(上)

韓宇

設(shè)計(jì)制作航空模型時(shí)，因材料的選擇和加工而導(dǎo)致模型飛行性能達(dá)不到預(yù)期效果的情況時(shí)有發(fā)生，令許多航模愛好者倍感困惑。為此，筆者對(duì)不同類型航模所用的結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行了分類整理，并且對(duì)傳統(tǒng)木材、常見的泡沫塑料、新興復(fù)合材料等的材料特性和適用范圍做了分析，希望大家對(duì)航模的結(jié)構(gòu)材料有更深入的了解。此外，針對(duì)航模材料的二次加工，筆者也總結(jié)了一些注意事項(xiàng)，供大家參考。

大展弦比的F1A牽引模型滑翔機(jī)

選材的原則要求

知其然，也要知其所以然。介紹航模結(jié)構(gòu)材料的選擇前，先闡述一下選材的原則。首先，除了那些用于專業(yè)競(jìng)技或科研項(xiàng)目的模型外，航模大都屬于消費(fèi)品范疇，控制制造成本非常重要。特別是進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)，選材要易獲取、易加工。其次，航模對(duì)結(jié)構(gòu)重量的控制非常敏感，因此要盡量選擇密度較小的材料，材料密度應(yīng)顯著低于地面及水下交通工具。第三，在確保強(qiáng)度足夠的情況下，要多使用輕薄的板材，并設(shè)計(jì)大量減重孔。固定翼類模型的翼展通常在一兩米，尺寸大的可達(dá)四五米甚至更長(zhǎng)。這其中，大多數(shù)模型飛行速度較低，機(jī)翼的展弦比可達(dá)10以上，一些模型滑翔機(jī)的展弦比甚至高達(dá)30以上。這類模型結(jié)構(gòu)尺寸很大，通常采用薄壁結(jié)構(gòu)，為保證在空氣動(dòng)力作用下不發(fā)生較大的變形，必須選擇剛度大的材料。

受航模制造條件和使用范圍所限，在選材過程中，除上述要求外，在科研或比賽中使用的各類航模，因用途不同、級(jí)別不同，對(duì)結(jié)構(gòu)材料的要求也不同。從用途上分，有教練機(jī)、滑翔機(jī)、特技機(jī)、競(jìng)速機(jī)、載重飛機(jī)等;從動(dòng)力上分，有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、活塞發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、太陽能驅(qū)動(dòng)（最終也由電機(jī)驅(qū)動(dòng)）等。這些模型對(duì)結(jié)構(gòu)材料提出的要求都有差別。例如，與由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的航模不同，采用活塞發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的航模必須考慮諧振及發(fā)動(dòng)機(jī)安裝等問題，對(duì)結(jié)構(gòu)材料抗震性能的要求較高，發(fā)動(dòng)機(jī)的固定也要進(jìn)行額外的加強(qiáng)處理，需配套安裝包括諧振管、油箱等一系列組件。而相較于普通練習(xí)機(jī)來說，CADC比賽中所用的載重模型飛機(jī)與太陽能飛機(jī)對(duì)翼載荷的要求更高。負(fù)重飛行的載重模型飛機(jī)以及結(jié)構(gòu)非常纖弱的太陽能飛機(jī)，翼梁往往要承受較普通模型高數(shù)倍的拉壓應(yīng)力，而且機(jī)翼根部連接處的剪切應(yīng)力也極高。為此，要求使用碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料等對(duì)木結(jié)構(gòu)或泡沫塑料結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，或者采用張線分散機(jī)翼的受力，改善受力分布。有些模型為了保證可靠性，甚至?xí)陉P(guān)鍵部位安裝角鋁、角鐵等進(jìn)行加強(qiáng)。對(duì)于一些模型滑翔機(jī)，減輕結(jié)構(gòu)重量的要求更突出。為使滑翔距離更遠(yuǎn)、下墜速率更低，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的情況下，應(yīng)盡量降低結(jié)構(gòu)重量，如有些模型的機(jī)翼僅保留維持翼型和重心位置的少量支撐件。

模型工廠生產(chǎn)的木質(zhì)模型機(jī)身，機(jī)體結(jié)構(gòu)上有大量減重孔。

遙控空戰(zhàn)比賽中，選手一般會(huì)選擇價(jià)格低廉、飛行穩(wěn)定、易于操縱的木質(zhì)練習(xí)機(jī)。

以太陽能為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的模型飛機(jī)，在重量控制方面非常嚴(yán)苛，因此機(jī)體大量采用木質(zhì)框架結(jié)構(gòu)，再配以碳纖維等復(fù)合材料進(jìn)行加強(qiáng)。

可見，用途決定選材，將有限的各種材料進(jìn)行搭配組合，滿足飛行要求，服務(wù)飛行性能，是航模設(shè)計(jì)人員必須掌握的基本技能之一。

由活塞發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的航模，機(jī)頭處要注意做好減震處理，并做適當(dāng)加強(qiáng)。

2016年CADC總決賽上，北航航模隊(duì)的載重模型飛機(jī)在訓(xùn)練中與其他隊(duì)伍的模型相撞。受損的機(jī)翼翼根處，可看到加強(qiáng)用的凱夫拉纖維。

這種室內(nèi)橡筋動(dòng)力模型，重量?jī)H有幾克重，其翼面由透明的薄膜制成，骨架結(jié)構(gòu)則由碳絲和輕木材料制成。

從大自然到實(shí)驗(yàn)室

自然界提供了大量天然的材料，其中最符合航模制作要求，也最早被大量使用的就是木材。在人類航空發(fā)展初期，飛機(jī)的性能非常有限，木材在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期都是飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)材料。與金屬材料不同，由于木材有紋理結(jié)構(gòu)，因此受力呈現(xiàn)各向異性的特點(diǎn)，單向抗拉性能和抗扭性優(yōu)秀，但沿紋理方向的抗剪切能力較弱。常見的航模用木材包括輕木、桐木、松木、樺木等。為了更好地利用木材沿紋理方向受力的優(yōu)勢(shì)，后來又出現(xiàn)了輕木層板、椴木層板和航空層板等一系列以木材為基礎(chǔ)，膠合后壓制或滾制的全向受力材料。這些材料受力特性更優(yōu)秀，但密度較普通木材大，加工性也稍差。

木質(zhì)手拋模型滑翔機(jī)

傳統(tǒng)的木質(zhì)航模，其內(nèi)部的承力結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

這款F1C模型滑翔機(jī)的全碳機(jī)翼內(nèi)使用了發(fā)泡塑料填充

這款布局新穎的創(chuàng)新飛行器，機(jī)身用流線形復(fù)合材料外殼包裹，既美觀又有較好的減阻效果。

隨著石油工業(yè)的發(fā)展，泡沫塑料等一系列石油衍生品相繼出現(xiàn)。由于泡沫塑料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與航模材料要求契合，因此逐漸成為航模制作的常用材料，各種活動(dòng)中經(jīng)常能看到手持泡沫模型滑翔機(jī)玩具的孩子。特別是近年來，泡沫模型對(duì)傳統(tǒng)木質(zhì)模型產(chǎn)生了很大沖擊，如今市場(chǎng)上超過60%的航模都采用泡沫塑料為主要結(jié)構(gòu)材料，特別是普及類模型，比例更高。這種現(xiàn)象，一方面是因?yàn)榕菽芰铣杀鞠鄬?duì)較低，可以大批量高效生產(chǎn)，而傳統(tǒng)木質(zhì)模型的生產(chǎn)還需大量工人手工操作，成本較高;另一方面，泡沫塑料材質(zhì)抗摔性能好，即使墜機(jī)也不容易損壞，破損后還能快速修補(bǔ)持續(xù)使用。此外，泡沫塑料可作為填充材料承擔(dān)空間造型功能，如模型直升機(jī)的碳纖維復(fù)合材料槳內(nèi)膽、電動(dòng)模型滑翔機(jī)的電池艙冗余空間等，一般都會(huì)選用發(fā)泡塑料填充。

高性能的室內(nèi)模型飛機(jī)，大量采用碳纖維復(fù)合材料（碳桿/碳管/碳片）進(jìn)行加強(qiáng)。

自20世紀(jì)60年代末70年代初開始，碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料等投入使用，如今已被廣泛應(yīng)用于包括航空制造領(lǐng)域在內(nèi)的各行各業(yè)。據(jù)悉，航空領(lǐng)域最早使用復(fù)合材料的是美國于20世紀(jì)70年代初為F-14戰(zhàn)機(jī)研制的復(fù)合材料平尾。由于這類新型復(fù)合材料的性能高于傳統(tǒng)材料，因此在航模上也開始逐漸使用。復(fù)合材料不僅重量輕，而且具有優(yōu)良的剛性和強(qiáng)度。特別是其對(duì)飛行器曲面外形的制造有很好的適應(yīng)性。模型上的各類設(shè)備以及任務(wù)載荷艙，可采用流線形的復(fù)合材料外罩包裹，整形減阻的效果不錯(cuò)。（未完待續(xù)）