单线操纵竞速模型飞机

陈肇和　

由于航空科学的发展，使航空模型也在飞跃前进，有目的的研究和制作使航空模型的内容更加丰富，“比赛”正是起着促进的作用。在比赛项目中有一个使广大航模爱好者发生兴趣的是竞速模型飞机。模型的速度增加，如果不操纵它，是一件非常危险也非常困难的事。故模型飞机的速度绝对纪录都是用线操纵、沿圆圈飞行的竞速模型所创造的。例如2.5C.C.级的236公里/小时纪录是由捷克斯洛伐克运动员斯拉特盖创造的。

竞速模型飞机的形状很小。为了用一台马力不大的发动机能够飞起，人们给它设计了最轻巧最简单的外形和结构；也就是为了能够更好地发挥发动机的功率，使飞机具有最小的阻力。人们在这方面已经想出了许多的办法来了。因此飞机本身的阻力已经没有多少可减的了。但是在飞行时，模型是被两根长15.92公尺、粗0.25公厘的钢线牵引着的。这两根钢线的阻力却不小，值得我们注意，这点从操纵线所占的阻力就可看出。

据计算知操纵线的阻力：

q∞r2·r—半径(为变数)

由实验得：

Cx线=0.9～1.4

Cx身=0.1～0.15

Cx翼=0.005～0.01

比较一下各部分的阻力系数就可看出操纵线的直径虽小，但阻力很大。据计算：操纵线的阻力在V=150公里/小时左右时占总阻力的60%。如果把双线改为单线可以提高速度约20～25公里/小时，因为不仅减少了一根线的阻力同时还减少了两根线的干扰阻力。

如知单线操纵竞速模型飞机的机翼面积(S翼)为5平方公寸，装有一台最大功率(Nmax)约为0.3马力的发动机，螺旋桨的效率(η)为0.6。由试验得出模型之阻力系数Cx模为0.03而操纵线的阻力系数为Cx线=1.4，根据下例公式求模型的最大速度：

操纵线的直径d=0.25公厘

操纵线的长度R=15.92公尺

将上值代入公式得V=37公尺/秒=135公里/小时

若其他条件不变，只减少一根操纵线，则可使V≈160公里/小时，所以可看出单线的优越性。下面介绍几种单线操纵的竞速模型飞机的操纵系统。

一、扭力操纵模型飞机：是靠扭转钢线的一端而使模型的那一端发生转动，来带动舵面，用以操纵模型的。飞机的各参数可以参考一般的竞速模型飞机。这里介绍一下操纵机构的构造原理：在操纵者手中的机构是产生扭力的机构；如图1。挂钩1与滑杆2固结在一起，是用来连接操纵线的，而且当滑杆2转动时，还可使操纵线随之转动无隙。滑杆2靠轴承4固定在手柄5中，轴向拉不出滑杆，因此用手将滑块3在滑杆上滑动，就可使滑杆转动。滑块内有和滑杆同样的螺纹并且有些松动，滑杆2可用自行车条，或2公厘钢丝扭成。由于操纵线细又长所以扭转的弹性变形很大，故一般应把滑杆扭成这种样子：即一个滑动单程就可转动20多圈。这种手操纵机构制作简单，在这样大的扭转变形情况下还可以操纵很灵活，传动很迅速，这也是它的重要优点。

在飞机上安装的那部分操纵机构把扭力变为移动就可以操纵舵面了。这机构有两种：

(1)利用扭力把法条卷曲而产生移动的如图2，把钢丝接到A点，当扭转钢丝时法条就卷起了，因法条一端固定在飞机上，所以A点就会向左移动。A点又在滑槽中，用滑槽导向，这样就可以操纵舵面了。

(2)利用扭力带动一套蜗轮蜗杆，由蜗轮的圆弧运动代替直线运动而带动舵面的如图3。

总之这两种方法都较为复杂，而且操纵者很紧张不容易飞得很平。

二、最近我们发现更简单的、用单线将飞机系住的方法。但不用线来操纵，在尾翼上安装一个调整片，用以在地面调整，当飞机离地之后就变成不用操纵的了。当没有风，或风比较小的时候，飞行是很可靠的，甚至操纵者可以根本不去管飞机是如何飞行的，它变成了可自动安定地平飞的飞机了(封3上图为这种模型的图样)。其原理也很简单：

在飞机模型稳定飞行之际，不仅要保证力的平衡，而且还要保证相对三个座标轴的力矩的平衡。同时这些方向的平衡应当是稳定的，这就是说，若偶然一个冲量破坏了飞机的平衡，模型能自动恢复平衡状态，用不着去操纵它。对于线操纵模型来说，方向稳定和横侧稳定的问题不存在，因操纵线将模型的这两方向转动约束住了，也就不可能绕X轴和绕Y轴转动(见图4)，故对之可不予注意。飞机的纵向稳定性与相对Z轴的力矩平衡有关系，在一般情况下，对模型重心形成力矩的力为举力Y，拉力P，阻力Qx，水平尾翼的力Pг·о(图5)。为方便起见，我们把这些力矩分开来看，即把Y，Qx和P这几个力看成是构成不带尾翼的力矩MБ·х的力，而PГ·о是构成水平尾翼力矩的力。而MБ·х的大小主要是由机翼的力矩来决定，因为拉力和阻力的力臂很小，故形成的力矩也很小。后把力矩都相应地改换为力矩系数m，也不会改变模型的平衡条件。

在此我们对飞机的起飞后正常飞行状态下平衡及稳定先研究一下：迎角α改变时，空气动力和压力中心均随α改变。因此力矩Mz及力矩系数mz也是迎角α的函数。在图6中，不带尾翼的力矩系数mzБ·Х随迎角α的及变化曲线，水平尾翼力矩系数mzГ·о随迎角α的变化曲线。显然这两条曲线相加便得到用于整个模型的mz=f(α)曲线(图7)，这也称模型的稳定性曲线。此曲线可用来判断模型的稳定程度。

αбал为合力矩等于零的迎角，称为模型的平衡角，不操纵的飞机应在此平衡角下保持平飞。

图7中曲线的斜率表示模型的稳定性，当偶然的原因，使模型的迎角增大为α1的情况时，则有一力矩mz，使模型转动，而这转动的方向是向减小α的那方旋转，因这力矩为负值。同样，若模型突然变为α2时，则有一正力矩迫使模型回到平衡角αбал，所以mzα为负值时，如图8中实线所示，就有以上的稳定状态，故模型是稳定的，相反，若mzα为正值，则是不稳定的，如图8中虚线所示。因为力矩是相对模型重心计算的，显然重心位置改变，必定影响飞机的稳定性，重心向前移能使模型的稳定性增加，由于这种飞机无人操纵，故应把重心稍向前移一些。

向上或向下倾斜升降舵，便改变了水平尾翼的空气动力，因此也改变了水平尾翼的力矩。由实验可知，升降舵的倾斜使尾翼的力矩曲线平移，因此合力矩曲线也相应移动。图9为不同倾斜角下，稳定性曲线的位移，从图上看到每一倾斜角，对应一定的平衡角，这个对应关系保证了调整升降舵后，使飞机可以升降成平飞，当我们要求模型平飞时，在最好的迎角附近飞行，可以在不操纵的飞机的水平尾翼上安装一个小的调整片，在起飞之前就调整好，然后起飞。这种飞机在设计时，最主要的是要使尾翼面积，尾力臂的大小和重心位置，足以使mz——α曲线是稳定的，也就是mzα为负值。这时，只要Аг·о≈1.4就可以了。

式中Sг·о为尾翼面积；

L为尾翼力臂；

Sкр为机翼面积；

b为机翼平均气动弦。

在初次试飞时应把调整片稍向下偏，可使模型不致爬得过高而摔坏。

这种飞机的起飞，是很简单的，只要当模型在起飞滑跑时，将速度积累够了以后，用力拉就可以使模型和跑架分开，由正前方看去，可看出跑架的翼托将模型顶出而起飞(图10)。由侧面更可以看清，因这时内轮与尾轮着地，而外轮抬起了，所以外翼被抬高，而线上有张力，所以将内翼向上抬出了，此时尾轮还着地所以飞机尾部被扣住，不能抬起，这样飞机就有了很大的迎角，可以脱出跑架而起飞。

经试验之后得到这样的结论：有一二级风时，对飞机没有什么影响，如果风大时，就不容易保持较小的高度变化了。