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【摘要】河南队的S8EP项目与北航特种飞行器研究室合作，利用专业的航空理论知识绘制了翼型升力系数随迎角的变化曲线、阻力系数随迎角的变化曲线、升阻比随迎角的变化曲线、俯仰力矩随迎角的变化曲线进行对比，绘制出了机翼表面的压力分布图。根据显示的压力分布图来科学地设计飞机模型结构，并进行了风洞试验得出系列的科学数据。随后安装了微型高度记录仪进行试飞，以科学理论和实践飞行相结合的方式来达到提高性能、扩大优势的目标。
【关键词】专业翼型软件；风洞实验；微型高度记录仪
The Application of Advanced and High Technology in Model Aeroplane Sports
ZＨＡＮＧZhi－yong
(Aviational Sports Management Center of Henan Province, Zhengzhou 450041, Henan)
【Abstract】 Collaborating with Specialized Aircraft Laboratory of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Project S8EP of Henan Provincial Team applies theoretical knowledge of aviation to draw the curve depicting the change of airfoil lift coefficient against the angle of attack, that of the drag coefficient against the angle of attack, that of lift-drag ratio against angle of attack, and that of pitching moment against angle of attack. After comparing them, a chart of pressure distribution on the surface of the wings was drawn. The structure of the model plane was designed according to this and a series of wind tunnel tests are conducted. Then install the mini-altitude test flight recorder, the flight of scientific combination of theory and practice ways to increase performance, expand the target.
【Keywords】 Ｐrofessional airfoil software, Ｗind tunnel experiments, Ｍini-altitude recorder
1引言
近年来，中外模型界刮起了一阵又一阵新技术、新工艺、新材料之风，如F1项目中的自动定时器，F2B项目中的自动关车控制器，F3项目中锂电池、无刷电机的使用，碳纤维、凯夫拉复合材料的广泛使用……由此可以看出，航空模型运动正朝着高科技、高投入的方向发展。反观我国的航空模型运动，由于体制、政策和经济条件的影响，以致裹足不前，使许多项目上与世界先进水平拉开了距离。
河南队的S8EP项目虽然在国际上获得了较好的成绩，但是我们还应该保持忧患意识，不断更新我们的技术，这样才能保持我们的优势地位。而一个最便捷的方法就是与高校合作，利用他们先进、专业的航空知识提高我们飞机的技术含量，达到提高性能，扩大我们优势的目的。
早在上世纪80年代，我省航模队就与高校开展了合作，西北工业大学的师生帮助我们对F3B飞机所使用的翼型进行了吹风试验，提供了科学的理论数据，依据从而优选出了性能最合适的翼型，为我省航模队取得该项目的冠军奠定了坚实的基础。
2研究对象及方法
目前，我们与万志强副教授所领导的北航特种飞行器研究室建立了良好的合作关系。利用专业的翼型分析软件分别画出几种较适合S8EP项目的翼型升力系数随迎角的变化曲线（图1）、阻力系数随迎角的变化曲线、升阻比随迎角的变化曲线（图2）、俯仰力矩随迎角的变化曲线（图3），进行形象直观的对比。
图1NACA0012,%12 JOUKOWSKI,S8052
翼型的升力系数随迎角变化曲线
图2NACA0012,%12 JOUKOWSKI,S8052
翼型的升阻比随迎角变化曲线
图3NACA0012,%12 JOUKOWSKI,S8052
翼型的俯仰力矩系数随迎角变化曲线
按照升阻比尽量大，俯仰力矩系数尽量小的原则，根据曲线优选出了最合适的几种翼型。
之后，在同样雷诺数的前提下，我们分别绘制出了每个翼型升阻比随迎角的变化曲线和俯仰力矩系数随迎角的变化曲线（图4、图5），确定了其在飞机上最合适的安装角。
图4%12 JOUKOWSKI翼型的升阻比
随迎角变化曲线
图5%12 JOUKOWSKI翼型的俯仰力矩系数
随迎角变化曲线
3研究内容分析
S8EP飞机由于体积小，质量轻，并且发动机动力有限，所以对机体质量要求极为苛刻。如果能够对机翼进行简易的受力分析，进而确定结构强度，会起到很好的减重效果。我们使用专业的翼型分析软件对选用的翼型进行了简易的分析，绘制出了机翼表面的压力分布图（图6），根据压力分布图，来科学地确定结构。例如在前缘使用多少碳纤维，并确定碳纤维的厚度等，达到既减轻了质量，又保证了强度的目的。
图6%12 JOUKOWSKI机翼表面压力分布图
3.1风洞实验
风洞是进行空气动力学实验的一种主要设备，几乎绝大多数的空气动力学实验都在各种类型的风洞中进行。风洞的原理是使用动力装置在一个专门设计的管道内驱动一股可控气流，使其流过安置在实验段的静止模型，模拟实物在静止空气中的运动。测量作用在模型上的空气动力，观测模型表面及周围的流动现象。根据相似理论将实验结果整理成可用于实物的相似准数。实验段是风洞的中心部件，实验段流场应模拟真实流场，其气流品质如均匀度、稳定度（指参数随时间变化的情况）、湍流度等，应达到一定指标。风洞主要按实验段速度范围分类，速度范围不同，其工作原理、型式、结构及典型尺寸也各异。低速风洞：实验段速度范围为0～100米／秒或马赫数Ma＝0～0.3左右；亚声速风洞：Ma＝0.3～0.8左右；跨声速风洞：Ma＝0.8～1.4（或1.2）左右；超声速风洞：Ma＝1.5～5.0左右；高超声速风洞Ma＝5.0～10（或12)；高焓高超声速风洞Ma＞10（或12）。风洞实验的主要优点是：①实验条件（包括气流状态和模型状态两方面）易于控制。②流动参数可各自独立变化。③模型静止，测量方便而且容易准确。④一般不受大气环境变化的影响。⑤与其他空气动力学实验手段相比，价廉、可靠等。缺点是难以满足全部相似准数相等，存在洞壁和模型支架干扰等，但可通过数据修正方法部分或大部克服。
风洞实验的主要项目有测力实验、测压实验、传热实验、动态模型实验和流态观测实验等。测力和测压实验是测定作用于模型或模型部件（如飞行器模型中的一个机翼等）的气动力及表面压强分布，多用于为飞行器设计提供气动特性数据。传热实验主要用于研究超声速或高超声速飞行器上的气动加热现象。计算机在风洞实验中的应用极大地提高了实验的自动化、高效率和高精度的水平。在理论上进行对比，初步选定几种翼型的基础上，我们制作了不同翼型的短段机翼。在特种飞行器研究室师生的帮助下，我们将其放于北航的微小型风洞进行了风洞实验。进行风洞实验时，应保证模型流场与真实流场之间的相似，即除保证模型与实物几何相似以外，还应使两个流场有关的相似准数，如雷诺数、马赫数、普朗特数等对应相等。实际上，在一般模型实验条件下，很难保证这些相似准数全部相等，只能根据具体情况使主要相似准数相等或达到自准范围。例如涉及黏性或阻力的实验应使雷诺数相等；对于可压缩流动的实验，必须保证马赫数相等，等等。应该满足而未能满足相似准数相等而导致的实验误差，有时也可通过数据修正予以消除，如雷诺数修正。洞壁和模型支架对流场的干扰也应修正。在北航的风洞实验中，我们主要测量了气流参数，观测了流动现象和状态，测定作用在模型上的气动力等。实验结果都由特种飞行器研究室的同学整理成了无量纲的相似准数，方便了我们进行直观的对比。
4预期结果
由于风洞吹风的局限性（存在洞壁干扰，气流速度、迎角变化慢、不能模拟整个飞行过程，飞行环境也无法模拟），所以还不能完全优选出不同实际环境中最适用的翼型，北航特种飞行器研究室的万志强副教授经过多方联系，为我们购得了微型高度记录仪，微型高度记录仪全重小于10克，体积微小，使用机载电池供电，可以安装于体积十分紧张的S8EP机体之内。S8EP飞机发射之后，微型高度记录仪可以实时记录高度数据，在落地后将微型高度记录仪的数据通过USB导入电脑，在电脑上绘制出高度随时间的变化曲线，可以得出发动机熄火后飞机高度、飞机的爬升速度和降落速度，进而优选出最合适的翼型。飞机使用微型高度记录仪之后，我们试验的精度和数据的可靠性都有了大的提高，将对改善我们飞机的飞行性能和成绩起到更大作用。
参考文献
〔1〕朱宝鎏.无人机空气动力学〔M〕，北京：航空工业出版社，2006.
〔2〕朱书峰，艾剑良.微型飞机及其研制的关键技术〔J〕，飞机设计，2005(2).
〔3〕王志瑾，姚卫星.飞机结构设计〔M〕，北京：国防工业出版社，2004.
〔4〕钱翼稷.空气动力学〔M〕，北京：北京航空航天大学出版社，2004.
〔5〕罗东明，周军，昂海松.微型飞行器螺旋桨的气动优化设计〔J〕，南京航空航天大学学报，2003.35(3).
〔6〕刘斌，马晓平，王和平，周康生.小型电动无人机总体参数设计方法研究〔J〕，西北工业大学学报，2005.23(3).
【关键词】专业翼型软件；风洞实验；微型高度记录仪
The Application of Advanced and High Technology in Model Aeroplane Sports
ZＨＡＮＧZhi－yong
(Aviational Sports Management Center of Henan Province, Zhengzhou 450041, Henan)
【Abstract】 Collaborating with Specialized Aircraft Laboratory of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Project S8EP of Henan Provincial Team applies theoretical knowledge of aviation to draw the curve depicting the change of airfoil lift coefficient against the angle of attack, that of the drag coefficient against the angle of attack, that of lift-drag ratio against angle of attack, and that of pitching moment against angle of attack. After comparing them, a chart of pressure distribution on the surface of the wings was drawn. The structure of the model plane was designed according to this and a series of wind tunnel tests are conducted. Then install the mini-altitude test flight recorder, the flight of scientific combination of theory and practice ways to increase performance, expand the target.
【Keywords】 Ｐrofessional airfoil software, Ｗind tunnel experiments, Ｍini-altitude recorder
1引言
近年来，中外模型界刮起了一阵又一阵新技术、新工艺、新材料之风，如F1项目中的自动定时器，F2B项目中的自动关车控制器，F3项目中锂电池、无刷电机的使用，碳纤维、凯夫拉复合材料的广泛使用……由此可以看出，航空模型运动正朝着高科技、高投入的方向发展。反观我国的航空模型运动，由于体制、政策和经济条件的影响，以致裹足不前，使许多项目上与世界先进水平拉开了距离。
河南队的S8EP项目虽然在国际上获得了较好的成绩，但是我们还应该保持忧患意识，不断更新我们的技术，这样才能保持我们的优势地位。而一个最便捷的方法就是与高校合作，利用他们先进、专业的航空知识提高我们飞机的技术含量，达到提高性能，扩大我们优势的目的。
早在上世纪80年代，我省航模队就与高校开展了合作，西北工业大学的师生帮助我们对F3B飞机所使用的翼型进行了吹风试验，提供了科学的理论数据，依据从而优选出了性能最合适的翼型，为我省航模队取得该项目的冠军奠定了坚实的基础。
2研究对象及方法
目前，我们与万志强副教授所领导的北航特种飞行器研究室建立了良好的合作关系。利用专业的翼型分析软件分别画出几种较适合S8EP项目的翼型升力系数随迎角的变化曲线（图1）、阻力系数随迎角的变化曲线、升阻比随迎角的变化曲线（图2）、俯仰力矩随迎角的变化曲线（图3），进行形象直观的对比。
图1NACA0012,%12 JOUKOWSKI,S8052
翼型的升力系数随迎角变化曲线
图2NACA0012,%12 JOUKOWSKI,S8052
翼型的升阻比随迎角变化曲线
图3NACA0012,%12 JOUKOWSKI,S8052
翼型的俯仰力矩系数随迎角变化曲线
按照升阻比尽量大，俯仰力矩系数尽量小的原则，根据曲线优选出了最合适的几种翼型。
之后，在同样雷诺数的前提下，我们分别绘制出了每个翼型升阻比随迎角的变化曲线和俯仰力矩系数随迎角的变化曲线（图4、图5），确定了其在飞机上最合适的安装角。
图4%12 JOUKOWSKI翼型的升阻比
随迎角变化曲线
图5%12 JOUKOWSKI翼型的俯仰力矩系数
随迎角变化曲线
3研究内容分析
S8EP飞机由于体积小，质量轻，并且发动机动力有限，所以对机体质量要求极为苛刻。如果能够对机翼进行简易的受力分析，进而确定结构强度，会起到很好的减重效果。我们使用专业的翼型分析软件对选用的翼型进行了简易的分析，绘制出了机翼表面的压力分布图（图6），根据压力分布图，来科学地确定结构。例如在前缘使用多少碳纤维，并确定碳纤维的厚度等，达到既减轻了质量，又保证了强度的目的。
图6%12 JOUKOWSKI机翼表面压力分布图
3.1风洞实验
风洞是进行空气动力学实验的一种主要设备，几乎绝大多数的空气动力学实验都在各种类型的风洞中进行。风洞的原理是使用动力装置在一个专门设计的管道内驱动一股可控气流，使其流过安置在实验段的静止模型，模拟实物在静止空气中的运动。测量作用在模型上的空气动力，观测模型表面及周围的流动现象。根据相似理论将实验结果整理成可用于实物的相似准数。实验段是风洞的中心部件，实验段流场应模拟真实流场，其气流品质如均匀度、稳定度（指参数随时间变化的情况）、湍流度等，应达到一定指标。风洞主要按实验段速度范围分类，速度范围不同，其工作原理、型式、结构及典型尺寸也各异。低速风洞：实验段速度范围为0～100米／秒或马赫数Ma＝0～0.3左右；亚声速风洞：Ma＝0.3～0.8左右；跨声速风洞：Ma＝0.8～1.4（或1.2）左右；超声速风洞：Ma＝1.5～5.0左右；高超声速风洞Ma＝5.0～10（或12)；高焓高超声速风洞Ma＞10（或12）。风洞实验的主要优点是：①实验条件（包括气流状态和模型状态两方面）易于控制。②流动参数可各自独立变化。③模型静止，测量方便而且容易准确。④一般不受大气环境变化的影响。⑤与其他空气动力学实验手段相比，价廉、可靠等。缺点是难以满足全部相似准数相等，存在洞壁和模型支架干扰等，但可通过数据修正方法部分或大部克服。
风洞实验的主要项目有测力实验、测压实验、传热实验、动态模型实验和流态观测实验等。测力和测压实验是测定作用于模型或模型部件（如飞行器模型中的一个机翼等）的气动力及表面压强分布，多用于为飞行器设计提供气动特性数据。传热实验主要用于研究超声速或高超声速飞行器上的气动加热现象。计算机在风洞实验中的应用极大地提高了实验的自动化、高效率和高精度的水平。在理论上进行对比，初步选定几种翼型的基础上，我们制作了不同翼型的短段机翼。在特种飞行器研究室师生的帮助下，我们将其放于北航的微小型风洞进行了风洞实验。进行风洞实验时，应保证模型流场与真实流场之间的相似，即除保证模型与实物几何相似以外，还应使两个流场有关的相似准数，如雷诺数、马赫数、普朗特数等对应相等。实际上，在一般模型实验条件下，很难保证这些相似准数全部相等，只能根据具体情况使主要相似准数相等或达到自准范围。例如涉及黏性或阻力的实验应使雷诺数相等；对于可压缩流动的实验，必须保证马赫数相等，等等。应该满足而未能满足相似准数相等而导致的实验误差，有时也可通过数据修正予以消除，如雷诺数修正。洞壁和模型支架对流场的干扰也应修正。在北航的风洞实验中，我们主要测量了气流参数，观测了流动现象和状态，测定作用在模型上的气动力等。实验结果都由特种飞行器研究室的同学整理成了无量纲的相似准数，方便了我们进行直观的对比。
4预期结果
由于风洞吹风的局限性（存在洞壁干扰，气流速度、迎角变化慢、不能模拟整个飞行过程，飞行环境也无法模拟），所以还不能完全优选出不同实际环境中最适用的翼型，北航特种飞行器研究室的万志强副教授经过多方联系，为我们购得了微型高度记录仪，微型高度记录仪全重小于10克，体积微小，使用机载电池供电，可以安装于体积十分紧张的S8EP机体之内。S8EP飞机发射之后，微型高度记录仪可以实时记录高度数据，在落地后将微型高度记录仪的数据通过USB导入电脑，在电脑上绘制出高度随时间的变化曲线，可以得出发动机熄火后飞机高度、飞机的爬升速度和降落速度，进而优选出最合适的翼型。飞机使用微型高度记录仪之后，我们试验的精度和数据的可靠性都有了大的提高，将对改善我们飞机的飞行性能和成绩起到更大作用。
参考文献
〔1〕朱宝鎏.无人机空气动力学〔M〕，北京：航空工业出版社，2006.
〔2〕朱书峰，艾剑良.微型飞机及其研制的关键技术〔J〕，飞机设计，2005(2).
〔3〕王志瑾，姚卫星.飞机结构设计〔M〕，北京：国防工业出版社，2004.
〔4〕钱翼稷.空气动力学〔M〕，北京：北京航空航天大学出版社，2004.
〔5〕罗东明，周军，昂海松.微型飞行器螺旋桨的气动优化设计〔J〕，南京航空航天大学学报，2003.35(3).
〔6〕刘斌，马晓平，王和平，周康生.小型电动无人机总体参数设计方法研究〔J〕，西北工业大学学报，2005.23(3).