韩佳森　林恩民　姚天　慈宬嶂　郑雨薇

摘要：近年来随着航模运动的热门，电动滑翔机这项航模竞赛的基本项目获得了极大的关注，市面上开始出现大量的电动滑翔机产品，滑翔机项目市场前景广阔。本文主要探讨如何设计一架竞赛级电动滑翔机，以及基本模型性能问题，为发展电动滑翔机提供理论帮助。

关键词：电动；自主设计制作；计算流体力学；追求竞赛性能

一、设计要求

在国际通行的电动滑翔机竞赛项目规则中，要求飞机先在规定时间自由飞行，之后在固定时间内无动力滑翔，最终以着陆时间和着陆点的准确程度判定成绩。因此对于电动滑翔机来说，通常需要飞机在极短的时间获得较大的爬升高度，继而转化为较低下沉率的滑翔，其中获得最小下沉率是至关重要的。有了初步的设计要求后，我们开始研究飞机的布局形式。在翻阅资料和根据以往经验，我们构思出了飞机的基本草图。

二、飞机的总体参数

本项目所设计研制的飞机是一款强调巡航性能，展弦比为10.4的固定翼飞机，飞机翼展2m（飞机设计翼展为2m，验证机为了成本和运输方便，制作时整体缩小了比例，所以制作的验证机翼展为1.6m，其他尺寸以此为依据推算。）。

预估空重1.2Kg，满载1.8kg，使用新西达2212kv1400的电机，配置8060折叠桨（80是直径，60是螺距），工作转速9720r/min，工作推力9.03N，预计巡航速度54Km/h。电量来源为3S锂电池，额定电压12.6V，最低电压11.1V。选定的推重比约为0.5，翼载约为7.35kg/m2。

三、机翼的平面形状及几何参数

考虑到飞机的成本与制作难度，决定不采用太复杂的机翼平面形状，选用工艺简单的矩形+梯形机翼。飞机拆卸后可装进外部尺寸为1000mm*400mm*300mm的箱中。据以上两点初步确定机翼平面形状。翼根弦长Cr为150mm，翼尖弦长Ct为77mm。

机翼几何参数：

机翼面积 S=0245m2；

后掠角Λ1/4=0°；

展弦比 A=10.4；

根梢比 n=Cr/Ct=1.95。

四、翼型选择

飞机飞行属于低空低速类，翼型选择为弯度（f）较大的低速翼型。设定常用巡航高度为50100m，巡航速度为15m/s。

计算雷诺数为Rew=ρVcWexp/μ=233762，选出CLARK Y、MH112、MH113、MH114、MH116几种翼型进行分析，雷诺数取24000。在不同迎角下，MH114表现出的升阻比最佳，故选择MH114作为机翼的翼型。翼型在迎角5°时具有最大升阻比，所以机翼安装角为5° 。

五、水平尾翼设计

飞机平尾力臂较短，平尾布置在机翼弦平面以下。

平尾的尾容量，取决于飞机的机动范围及机动能力要求，一般飞机的平尾尾容量VHT为0.225。

平尾尾容量VHT按下式计算： VHT=SHTlHTSwcA ；

式中：SHT=0.024m2；

尾力臂lHT=0.6m；

机翼面积Sw=0.245m2；

平均气动弦长cA=0.153m；

计算得VHT=0.34。

为了提高复杂使用环境的良好可控性，故设计平尾尾容量值为0.34，略大于常规值。

飞机采用较大平尾设计，较大的平尾比普通比例的平尾配置形式有更高的操纵效率。对于滑翔机，在气流不稳定时，大平尾通过偏转角度控制飞机平衡，同时较大的水平安定面使飞机具有良好的俯仰稳定性。

六、垂直尾翼设计

飞机展弦比10.4，属于大展弦比飞机；机身位于机翼下方，属上单翼，两者特性使飞机已经具备相当高的稳定性；飞机使用人工遥控操纵方式飞行，设定的人工操纵技术较高。

垂尾尾容量设计主要是保证横侧安定性和操纵性品质。足够的垂直尾翼能够避免飞行过程中出现荷兰滚、好的侧风着陆特性、满足机动要求和改出尾悬的操纵。飞机垂尾尾容量用VVT表示。

垂尾尾容量VVT用下式计算：VVT=SVTlVTSRbW；

式中：SVT=0.016m2；

尾力臂lVT=0.6m；

机翼面积SR=0.245m2；

机翼展长bW=1.6m；

计算得VVT=0.024。

七、機身结构设计

飞机主体结构采用巴尔沙轻木材料，采用热缩膜蒙皮，主要承力结构为互相配合的碳纤维复合材料，具有结构重量轻，制造成本低，加工工艺简单的特点。

后机身采用梁式，前机身采用硬壳式机身，会很大程度的降低制作难度。后机身采用一根主梁作为承力结构，前机身四面用轻木条和隔框做成封闭的机身结构，具有较好的抗弯、抗扭和减重效果。

八、机翼结构设计

我们采用的盒式机翼结构具有很好的抗弯、抗剪、抗扭功能。飞机在飞行过程中机翼全部升力的传递、机动飞行时的过载，尤其是满载或遇到较强气流飞行时所有的力都集中在翼根主梁处，所以我们在翼根主梁中加装了碳杆连接。

九、飞机制作与试验

设计完成后，将CAD设计图排版为激光切割图纸，购买原材料和配件进行制作，轻木结构主要使用502胶水进行粘结，飞机蒙皮所使用的热缩膜通过熨斗加热的方式使其粘结在飞机结构外表面，受热收缩绷紧的热缩膜一方面为飞机表面提供干净光滑的外表面，其次在飞行过程中内部残余拉应力也能减缓机翼变形。

试飞结论：飞行性能良好，基本满足设计要求。

十、行业应用前景

军用方面：小型滑翔机可以应用于军事侦察领域，滑翔机机身体积小、正面雷达反射面小、成本低的军事特点，使其可用于侦察活动、土地测绘、反恐防暴等。

民用方面：本滑翔机方便携带和使用，设计符合滑翔机运动的使用要求。在民用上，可以广泛用于航模飞行运动。

商用方面：本滑翔机成本低，设计合理，结构可靠，方便大量生产，经久耐用。在商用定制模具后，可以广泛的应用于生产销售，有助于推广航模运动。

项目：大学生创新创业训练计划项目（项目编号：IECAUC2017153）