火箭助推滑翔機設計說明書

PAGE2杭州電子科技大學火箭助推滑翔機設計PAGE20PAGE1火箭助推滑翔機理論方案設計作品名稱火箭助推滑翔機學校名稱杭州電子科技大學學生姓名朱國成、徐匡、項冰峰、江衛(wèi)指導教師王云聯(lián)系電浙江省大學生力學競賽組委會二零一二年六月目錄1設計背景32設計任務42.1外觀42.2飛行時間43飛行原理53.1升力53.2阻力64設計方案94.1機身設計94.2機翼設計94.2.1機翼形狀94.2.2展弦比94.2.3上反角104.3尾翼設計115尺寸計算125.1機身尺寸135.2機翼尺寸135.3尾翼尺寸135.4位置尺寸146載荷分析157過程論述168設計體會和收獲189參考文獻20PAGE20杭州電子科技大學火箭助推滑翔機設計1設計背景為了多方面培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新思維和實踐動手能力，激發(fā)大學生學習力學與相關專業(yè)知識的熱情，活躍校園學術氛圍，培養(yǎng)團隊協(xié)作精神，促進浙江省高校大學生相互交流與學習，經(jīng)研究決定舉行浙江省首屆大學生力學競賽。我隊積極響應省與學校的號召，組隊參加該模型飛機設計制作競賽。2設計任務2.1外觀外觀要求盡量對稱、光潔，比例適宜給人以完美的視覺感官。2.2飛行時間使飛行時間盡量長有較長的滑翔時間。3飛行原理3.1升力不論什么機翼，其提高升力的實質都是增大機翼上下表面的總壓力差。影響升力大小的因素除了機翼本身的尺寸大小之外一個主要的參數(shù)就是升力系數(shù)，根據(jù)風洞和相關試驗表明，機翼的升力滿足下列關系式：其中：kg/,m/s,升力系數(shù)是一個比較關鍵的參數(shù)，影響它的因素有：（1）翼型不同的翼型可以使得流過機翼上下表面氣流的狀態(tài)不同，比如速度之類的參數(shù)，進而得機翼上下表面具有不同的壓力而呈現(xiàn)出壓力差，最后體現(xiàn)為整個機翼的升力。（2）迎角迎角也就是機翼與水平方向的夾角，很直觀地可以看出，當機翼與水平方向具有一定夾角的時候，流向機翼表面的氣流產(chǎn)生一個垂直方向上的分力，故不同的迎角對機翼的升力系數(shù)是有影響的。不同的翼型有不同的升力系數(shù)，人們把各種各樣的翼型放到風洞中做試驗，分別求出它們在不同迎角下的升力系數(shù)，最后吧這些數(shù)據(jù)進行整理，每種翼型的資料都畫成曲線，就如升力系數(shù)曲線，這樣查閱起來就比較方便。3.2阻力機翼在空氣中運動不僅會有升力同時阻力也存在，它主要是由兩部分組成，一是空氣黏性的作用，二是機翼受到空氣的摩擦阻力，另一部分是機翼前后壓力差的不同而表現(xiàn)為的阻力。摩擦阻力摩擦阻力與物體表面的光滑程度有關，也與空氣的狀況有關，因此不難看出減小擦阻力對于飛行用的機翼來說就是盡量把表面加工得光滑一些。壓差阻力這種阻力與機翼的形狀有關，同時還與空氣的黏性有關，經(jīng)常性地壓差阻力主要是機翼后面會產(chǎn)生渦旋，顯然減小壓差阻力最直接的方法就是減小機翼后面壓力較小的渦旋區(qū)，流線型的形狀就是一個好的選擇。空氣黏性阻力空氣粘性阻力主要表現(xiàn)在最靠近物體薄薄的一層氣流中，叫它邊界層，邊界層又分為兩種，一是層流層，二是湍流層。層流層的流動是一層一層的很有規(guī)則，這樣由空氣黏性所產(chǎn)生的阻力便比較小，而相反湍流層內(nèi)氣流是紊亂的，自然摩擦阻力比較大，因此為了減小阻力，最好是使得機翼的邊界層為層流層。但是這兩中邊界層有更多的區(qū)別，就是它們產(chǎn)生的速度變化不同，簡單地說，層流層里面速度變化比較激烈，湍流層由于比較“紊亂“，里面的空氣相互影響，因此速度變化不激烈，湍流層的這個特點使它在機翼表面流動時不容易停頓下來，而層流層相反，這些特性表現(xiàn)為，層流層渦旋去很大，湍流層較小，故湍流層壓差阻力較小，而層流層的壓差阻力比較大。因此從減小壓差阻力的觀點來看，邊界層最好是湍流的。實際上影響機翼飛行效果的因素還有很多，但對于我們這個飛行狀態(tài)并不太復雜的模型飛機來說，僅僅考慮以上因素已經(jīng)足夠了。3設計方案3.1機身設計機身由于所給材料是條長385mm的木材，為了減輕飛機重量在不影響結構強度的前提下，我們將尾部下方不需要的部分給磨去。又將本來粗糙的表面給磨光滑以減小空氣阻力。3.2機翼設計3.2.1機翼形狀在查找相關文獻資料之后，我們得知飛機翼型有矩形翼、后掠翼、梯形翼、變后掠翼、三角翼等翼型。由理論理想最大升力翼型為橢圓形機翼，又考慮了減小阻力和制作方便我們選擇后掠翼翼型。3.2.2展弦比經(jīng)過查找文獻我們得知展弦比在6—8合適，我們經(jīng)過試驗選擇展弦比為7.4。3.2.3上反角為力增加飛機飛行時的穩(wěn)定性，防止飛機側滑翻滾，我們設計了上反角。但上反角過大會影響方向穩(wěn)定性。經(jīng)試驗我們確定機翼上反角為14度，這個角度既能保證飛機的穩(wěn)定性又能提供足夠的升力。4.3尾翼設計對于尾翼，我們采用倒T型尾，這種翼型最符合空氣動力原理。水平尾翼形狀同樣為了減小阻力和便于計算而設計成梯形。（1）水平尾翼面積盡量大一點，離機翼盡量遠一點，這樣可以使飛機的在發(fā)射角度較大水平速度較低的情況下仍能在最高處變?yōu)樗?，然而又可以使飛機飛得更高更重要的是還能增加飛機的穩(wěn)定性。 （2）垂直尾翼在滿足穩(wěn)定性要求的前提下我們設計成二分之一水平尾翼大小。5尺寸計算5.1機身尺寸長：385mm高：7.5mm寬：5mm5.2機翼尺寸上底：36mm下底：72mm高：198mm5.3尾翼尺寸上底：40mm下底：60mm高：70mm5.4位置尺寸：如上圖6載荷分析經(jīng)反復試驗得知：1.飛機在空中飛行過程中不會發(fā)生破。2.幾乎所有的飛機破壞過程發(fā)生在飛機著陸的瞬間。在飛機著陸的瞬間，由于飛機的加速度是很大的，也就導致了飛機的動載荷變得很大特別是在飛機前部分（里飛機較近的一端）需承受的載荷非常大。此過程可用“壓桿穩(wěn)定原理”進行分析。當飛機頭朝下撞擊地面時，飛機前段（自機頭至機翼前緣）狀態(tài)是：機頭相當于固定鉸支，機翼端為固定方向可左右移動端。當受動載荷擠壓時有力學知識可知機翼端受彎曲變形最大受最大的彎曲應力。所以受力分析得知機翼前緣處最可能斷裂，此結果與我們的試驗結果相一致。7過程論述在完全了解設計背景，制作材料，制作步驟以及掌握了一些基本的滑翔機制作原理的條件下，我們組開始了制機之旅。遵循從易到難的常理，我們組首先開始了火箭的制作。根據(jù)制作說明提示的步驟，我們組員分工合作快速完成了火箭的制作，組考慮到在炸藥產(chǎn)生的一定力不變的情況下，要使滑翔機在空中滑翔的時間較長就得讓火箭把滑翔機盡可能地送得高，在高空中分離。對于如何使得火箭升得更高這個問題，我們組員經(jīng)過長期時間討論，最后決定把箭體質量和箭頭質量子在火箭升空中不損壞的情況下盡量減小。我們組員用砂紙對箭體和箭頭進行打磨，減少箭體中紙團的質量（在不使飄帶燒毀的前提下）。在完成相對簡易的火箭制作后。我們組開始了新一輪的激烈討論。討論的話題都緊緊圍繞著前翼，尾翼的形狀，尺寸，質量，機身的質量以及機翼的安裝位置（重心，壓心的位置）的確定。在查看大量資料下，我們組選定了幾種相對較好的翼型例如：矩形翼、梯形翼、后掠翼、三角翼等。經(jīng)過綜合分析對比，我們組選擇了認為理想的翼型：后掠翼。對于尾翼，我們組一致決定用倒T型。但機翼及其尺寸的大小又稱為一個難題。根據(jù)資料上所說，展弦比大致在6——8為好，組員經(jīng)過討論決定，先選用展弦比7.4，確定好重心和壓心，制作成一架初步的飛機模型。實踐是檢驗真理的唯一方法，我們組在制作好模型后，經(jīng)過不斷的手擲試飛，觀察滑翔機的飛翔姿態(tài)，飛翔時間，降落過程，從中查找其模型的缺點，優(yōu)點。再把缺點拿出來討論。分析造成缺點的原因，查找資料找出解決方法。經(jīng)過一次一次不斷地試驗，我們組通過對展弦比，重心，壓心位置的改變，嘗試了不同機型的飛機，不斷完善飛機的飛翔效果，提高滑翔時間，制作出最終的模型。8設計體會和收獲我們感到非常慶幸能參加這次比賽，通過十來天的學習以及設計制作，感觸頗大。其中非常深刻的一點是，經(jīng)過長時間的合作，我們發(fā)現(xiàn)團隊合作并不是那么容易的，當我們在設計過程中遇到問題，碰到瓶頸，或出現(xiàn)分岔，必定就會產(chǎn)生激烈的爭論，各自有各自的想法觀點，幾次之后，我們發(fā)現(xiàn)，人多了，思想意見不統(tǒng)一，對研發(fā)效率產(chǎn)生了明顯的影響。于是，我們專門對此進行了一次深刻的反省和討論，等差不多每個人都知道自己性格上或者行動上的優(yōu)點和不足，決定之后少說多做，少數(shù)服從多數(shù)，實踐是檢驗真理的唯一方法。至此之后，我們的研發(fā)效率大大增強，并在第一次試飛獲得了第一！通過這次比賽，我們每個人的團隊合作能力大大增強，并對自己在一個團隊中的定位適應也有了一個稍微明確的標準，這對我們以后在社會上的立足增添了一個有力的砝碼。其次，通過這次比賽，我們學到了很多額外的知識，而且從另一個角度來講，讓我們重新溫習了下以前學過的知識，這對我們以后融會貫通大學里學的知識非常有幫助！當然，在設計過程中還出現(xiàn)了很多的問題，但通過去圖書館找書，上網(wǎng)查找資料，以及向指導老師請教，不斷的學習，解決，提高，制造出的滑翔機無論是飛行性能還是外觀，都在不斷的進步，改善。可以說在自己動手，不斷實踐的過程中，我們的動手能力，發(fā)現(xiàn)問題