火箭助推滑翔机的飞行原理及应用*

汪杭辉 沈晓梅 吕锡婷 林颖恬 袁秀强

(嘉兴学院建筑工程学院，浙江 嘉兴 314001)

0 引言

火箭助推滑翔机制作与飞行属于航空模型运动，是浙江省力学竞赛项目。它不仅是一项单纯的竞技运动，而且包含丰富的工程技术理论和制作内容，需要制作者在掌握理论力学、材料力学、结构力学以及空气动力学等相关力学知识的基础上，通过设计与优化，辅助以精致的手工工艺进行的研究探索活动[1,2]。这项活动可以使大学生学习航空理论知识，培养动手操作能力，培养进取精神和竞争意识，从创新人才培养的角度来讲，此类运动无疑是对锻炼学生综合素质、提高学生创新能力具有重要意义[3]。

项目以浙江省大学生力学竞赛为背景，以火箭助推滑翔机模型制作流程为研究的最终目标，首先参考相关文献，分析模型飞机在空中飞行过程中各阶段的受力特征，获得模型飞机在发射后到落地全过程中的物理力学模型，基于此才能找到关键影响因素，为进一步的模型设计奠定良好的基础；根据上述理论，学生进行模型制作及相关调试，最终获得基于飞行理论的火箭助推滑翔机模型。

1 火箭助推滑翔机飞行过程的受力分析

火箭助推滑翔机飞行过程的受力分析见图1。

参考相关文献[4][5]，可知助推阶段的运动微分方程：

(1)

其中，T为发动机推力；D为阻力；M为模型质量；g为重力加度；v为飞行速度；t为时间；CD为阻力系数;ρ为空气密度;Aω为机翼面积。

速滑行阶段的运动微分方程：

(2)

稳定滑翔阶段速度：

(3)

其中，CL为空气升力系数。

2 火箭助推滑翔机的设计与制作

设计与制作过程可以分为以下步骤：

第一步，模型飞机外形设计，主要包括机翼、尾翼和机身的尺寸确定。各部分内容依据上述相应的计算理论进行设计。

第二步，手工制作。这一步主要涉及材料的裁切、黏贴及打磨。此过程中需要注意以下几个方面：裁切过程中注意根据木材的纹理方向进行精细化的切割；黏贴过程中注意各个部件的对位准确性，争取一次定位准确，避免出现反复黏贴的情况；打磨过程要严格根据形状尺寸进行，同时注意木材本身纹理的方向、注意保持设计的流线性，减少棱角，从而提高雷诺数。

第三步，现场调试。通过手掷试飞调整好重心位置。通过发射飞行获得不同环境下发射高度、留空时间、飞行姿态等测试数据。

第四步，优化方案。在对现场试验获得的飞行数据进行分析比对的基础上，确定出最终形状尺寸，见图2。

3 结语

通过以上分析，在明晰火箭助推滑翔机在不同阶段飞行理论的基础上，通过模型设计、制作、调试、优化四个阶段，制作出理想的滑翔机模型。基于理论进行模型制作的制作流程，有助于在火箭助推滑翔机比赛中取得好成绩，还能进一步锻炼学生运用理论结合实际的能力，对提高学生的创新能力具有重要意义。