玻璃钢固定翼航模的模具设计与制作＊

孙振华，柳忠艳，吴瑞轩，张 超

（1.银川科技学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏机械研究院（有限公司），宁夏 银川 750021）

1 研究背景

随着科学技术的发展，单一材料已经无法满足社会市场的需要。而在无人机领域，只有复合材料，才能满足其发展需求。在国内，除军事领域外，以玻璃钢复合材料制作模型飞机及其模具的案例相对较少，更多的只是经验设计。文章以固定翼航模的设计制作为案例，拟解决传统模具制造成本高、制作时间长及质量较大的缺点，完善航空模型领域的设计及制作方式，为玻璃钢复合材料模型航模的发展提出一种新的可能[1]。

2 固定翼航模的参数设计

2.1 机翼设计

本设计机翼的平面形状为矩形机翼与椭圆形机翼相结合，均衡升力的同时还可以降低诱导阻力，具有较强的兼容性。确定机翼外形参数投影如图1 所示。

图1 机翼外形投影参数图（单位：mm）

2.2 翼型选择

航模的雷诺数普遍在10 万～100 万之间，这个区域的雷诺数变化对于气动力，尤其是阻力的影响十分明显，适当地增大雷诺数可以减小阻力系数[2]。

雷诺数计算公式：

式（1）中：ρ为空气密度；v为空气流速；D为特征尺寸；u为空气黏度。

根据所设定的巡航速度，取v=40 m/s，根据平均弦长，取D=1.184 m。当高度定为100 m，此时计算得到雷诺数Re=320 599。故在Profili 软件中选取翼型时，选取的雷诺数Re=320 599。

参考同类型固定翼航空模型翼型选取方案，选出了NACA4415 和CLARK Y 两种典型翼型，并在Profili软件中取雷诺数Re=321 000，进一步对比，分析结果如图2 所示。

图2 翼型对比分析图

从升力系数曲线来看，NACA4415 整体高出很多，从阻力系数曲线来看，NACA4415 在迎角1°～3°时具有明显的阻力改善，一旦超过这个区域，阻力系数将会明显增大，故选择NACA4415 作为机翼的翼型。

2.3 机身设计

本设计机身采用筒形机身，为了增加结构强度及减轻结构质量，采用了玻璃钢复合材料硬壳式机身结构。据已有设备相关数据，设定机身尺寸为：长0.75 m，宽0.05 m，高0.05 m。机身几何参数如图3 所示。

图3 机身几何参数图（单位：mm）

2.4 尾翼设计

平尾几何参数主要取决于平尾容量[2]。

式（2）中：S平尾为平尾面积；S为机翼面积；L平尾为平尾力臂；C为平均气动弦长。

根据经验取A平尾=0.7。在构型设计中，为进一步减少固定翼航空模型阻力，将平尾平面形状设计为近似椭圆形，为减少计算量，在此采用近似替代计算法，将平尾平面图形外接垂线与切线交于一点，通过对称，等价近似替换为2 个大小相等的梯形，如图4 所示。

图4 近似代替计算简化图

通过近似代替计算法简化图形。以此，在XFLR5软件中输入平尾翼展220 mm，通过翼根弦长和翼尖弦长计算得出平均气动弦长为52.36 mm，并根据所建立的模型大致估算出L平尾=600 mm，代入公式（2），得平尾面积为113.3 cm2。最后得出平尾外形投影参数如图5 所示。

图5 平尾几何参数图（单位：mm）

同理，可以得到垂尾的平均气动弦长为46.63 mm，代入垂尾容量计算公式：

式（3）中：S垂尾为垂尾面积；S为机翼面积；L垂尾为垂尾力臂，取530 mm；B为机翼翼展。

根据经验取A垂尾=0.04，得垂尾面积为55 cm2，最后得出垂尾外形投影参数如图6 所示。

图6 垂尾几何参数图（单位：mm）

3 玻璃钢模具的制作

在前文对固定翼航模设计参数的基础上来完成对玻璃钢模具的设计与制作。而完成玻璃钢模具设计与制作之前，需完成母模的设计与制作，即完成对PVC型芯模具的设计与制作。其制作流程如图7 所示。

图7 玻璃钢模具制作流程图

可以得到玻璃钢固定翼航模模具效果图，如图8、图9、图10 所示。

图8 玻璃钢机翼模具效果图

图9 玻璃钢尾翼模具效果图

图10 玻璃钢机身模具效果图

4 结束语

文章通过对固定翼航空模型机翼、机身及尾翼的参数设计和计算，以及对PVC 板材的预处理、软件处理和雕刻机加工完整流程的陈述来完成玻璃钢模具的制作。在完善航空模型领域的设计及制作方式的同时，也为其他航空无人机设计及制作方式提供参考。