火箭助推滑翔機(jī)設(shè)計說明書

PAGE2杭州電子科技大學(xué)火箭助推滑翔機(jī)設(shè)計PAGE20PAGE1火箭助推滑翔機(jī)理論方案設(shè)計作品名稱火箭助推滑翔機(jī)學(xué)校名稱杭州電子科技大學(xué)學(xué)生姓名朱國成、徐匡、項冰峰、江衛(wèi)指導(dǎo)教師王云聯(lián)系電浙江省大學(xué)生力學(xué)競賽組委會二零一二年六月目錄1設(shè)計背景32設(shè)計任務(wù)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(shè)計方案94.1機(jī)身設(shè)計94.2機(jī)翼設(shè)計94.2.1機(jī)翼形狀94.2.2展弦比94.2.3上反角104.3尾翼設(shè)計115尺寸計算125.1機(jī)身尺寸135.2機(jī)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(shè)計體會和收獲189參考文獻(xiàn)20PAGE20杭州電子科技大學(xué)火箭助推滑翔機(jī)設(shè)計1設(shè)計背景為了多方面培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐動手能力，激發(fā)大學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)與相關(guān)專業(yè)知識的熱情，活躍校園學(xué)術(shù)氛圍，培養(yǎng)團(tuán)隊協(xié)作精神，促進(jìn)浙江省高校大學(xué)生相互交流與學(xué)習(xí)，經(jīng)研究決定舉行浙江省首屆大學(xué)生力學(xué)競賽。我隊積極響應(yīng)省與學(xué)校的號召，組隊參加該模型飛機(jī)設(shè)計制作競賽。2設(shè)計任務(wù)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(jī)翼，其提高升力的實質(zhì)都是增大機(jī)翼上下表面的總壓力差。影響升力大小的因素除了機(jī)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(fēng)洞和相關(guān)試驗表明，機(jī)翼的升力滿足下列關(guān)系式：其中：kg/,m/s,升力系數(shù)是一個比較關(guān)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(jī)翼上下表面氣流的狀態(tài)不同，比如速度之類的參數(shù)，進(jìn)而得機(jī)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(jī)翼的升力。（2）迎角迎角也就是機(jī)翼與水平方向的夾角，很直觀地可以看出，當(dāng)機(jī)翼與水平方向具有一定夾角的時候，流向機(jī)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(jī)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(fēng)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(jìn)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(jī)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(jī)翼受到空氣的摩擦阻力，另一部分是機(jī)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(guān)，也與空氣的狀況有關(guān)，因此不難看出減小擦阻力對于飛行用的機(jī)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(jī)翼的形狀有關(guān)，同時還與空氣的黏性有關(guān)，經(jīng)常性地壓差阻力主要是機(jī)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(jī)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?？諝怵ば宰枇諝庹承宰枇χ饕憩F(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(jī)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(jī)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(jī)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(fù)雜的模型飛機(jī)來說，僅僅考慮以上因素已經(jīng)足夠了。3設(shè)計方案3.1機(jī)身設(shè)計機(jī)身由于所給材料是條長385mm的木材，為了減輕飛機(jī)重量在不影響結(jié)構(gòu)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(jī)翼設(shè)計3.2.1機(jī)翼形狀在查找相關(guān)文獻(xiàn)資料之后，我們得知飛機(jī)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(jī)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(xiàn)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(jī)飛行時的穩(wěn)定性，防止飛機(jī)側(cè)滑翻滾，我們設(shè)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(jī)翼上反角為14度，這個角度既能保證飛機(jī)的穩(wěn)定性又能提供足夠的升力。4.3尾翼設(shè)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(shè)計成梯形。（1）水平尾翼面積盡量大一點，離機(jī)翼盡量遠(yuǎn)一點，這樣可以使飛機(jī)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(jī)飛得更高更重要的是還能增加飛機(jī)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(shè)計成二分之一水平尾翼大小。5尺寸計算5.1機(jī)身尺寸長：385mm高：7.5mm寬：5mm5.2機(jī)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(fù)試驗得知：1.飛機(jī)在空中飛行過程中不會發(fā)生破。2.幾乎所有的飛機(jī)破壞過程發(fā)生在飛機(jī)著陸的瞬間。在飛機(jī)著陸的瞬間，由于飛機(jī)的加速度是很大的，也就導(dǎo)致了飛機(jī)的動載荷變得很大特別是在飛機(jī)前部分（里飛機(jī)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(jìn)行分析。當(dāng)飛機(jī)頭朝下撞擊地面時，飛機(jī)前段（自機(jī)頭至機(jī)翼前緣）狀態(tài)是：機(jī)頭相當(dāng)于固定鉸支，機(jī)翼端為固定方向可左右移動端。當(dāng)受動載荷擠壓時有力學(xué)知識可知機(jī)翼端受彎曲變形最大受最大的彎曲應(yīng)力。所以受力分析得知機(jī)翼前緣處最可能斷裂，此結(jié)果與我們的試驗結(jié)果相一致。7過程論述在完全了解設(shè)計背景，制作材料，制作步驟以及掌握了一些基本的滑翔機(jī)制作原理的條件下，我們組開始了制機(jī)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(jī)在空中滑翔的時間較長就得讓火箭把滑翔機(jī)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(zhì)量和箭頭質(zhì)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(jìn)行打磨，減少箭體中紙團(tuán)的質(zhì)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(zhì)量，機(jī)身的質(zhì)量以及機(jī)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(rèn)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(jī)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(jī)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?jǐn)S試飛，觀察滑翔機(jī)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(jī)型的飛機(jī)，不斷完善飛機(jī)的飛翔效果，提高滑翔時間，制作出最終的模型。8設(shè)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(xué)習(xí)以及設(shè)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(tuán)隊合作并不是那么容易的，當(dāng)我們在設(shè)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(jìn)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(tuán)隊合作能力大大增強，并對自己在一個團(tuán)隊中的定位適應(yīng)也有了一個稍微明確的標(biāo)準(zhǔn)，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(xué)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(xí)了下以前學(xué)過的知識，這對我們以后融會貫通大學(xué)里學(xué)的知識非常有幫助！當(dāng)然，在設(shè)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(dǎo)老師請教，不斷的學(xué)習(xí)，解決，提高，制造出的滑翔機(jī)無論是飛行性能還是外觀，都在不斷的進(jìn)步，改善?？梢哉f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