大型搞机教程（1）

Yannick

最近决定做一个关于像真机航模设计、建模以及控制等方面的教程，并且有机会的话可以以此为基础和大家共同学习一些更深入的东西。教程较长，会分多期更新，内容涉及像真机外形设计、气动计算、动力学建模、控制方法，如果大家感兴趣，还可以增加结构设计、三维建模等内容，大家也可以在评论里提出感兴趣的内容，我都会尽力满足。本系列教程本着先总体后局部的思路，多半会出现一些不加解释的术语和没有详细操作的软件结果，如果有不清楚的地方大家可在评论里指出，将另行详细解释。
像真机算是航模里特别有味道的一类了，对于喜欢航模设计乃至小型飞机设计的同学，我也建议从像真机设计入门，这应该是高效又不失乐趣的一种学习方式。这个系列教程我们准备设计一架波音787的像真机航模。客机作为常规布局，机翼机身等部件分明，是最适合作为像真机设计入门的，而且波音787也很优雅不是吗。





先放一下最终CATIA建模效果

首先需要明确这次我们做787像真机的原则：
在还原真机细节和降低制作难度之间寻求平衡，整体以方法讨论为主，不过分追求细节。
直接开工：
1搜集三视图
首先肯定是找到靠谱的三视图和若干真机照片。可搜集到的三视图多半都有一些具体尺寸上的区别，这时候需要找一张三视图作为主要依据，其他三视图做为补充和调整依据，细节或三视图上描绘不清的部分则可以参考真机照片或根据自己的喜好自由发挥。



这是一本专门介绍波音787的书的附图，所以选择以这张图为主



飞机模型生产商的涂装附图，这张图也很精细，但由于没有前视图，只能用于参考和补充

2确定基本尺寸
对于像真航模来说，尺寸太小会导致制作困难，比如机翼太小以至于舵机等部件无法安装，又会因为“装饰重量”（指为提高像真度而使用的非必要部件的重量）占比高而导致飞行性能差。尺寸太大又会极大增加制造、运输成本，甚至会出现造好了连门都出不去的情况。根据以往经验和喜好，我们确定这架像真机的翼展为2.4m。波音787的翼展为60m，所以缩放比例为25，飞机各部件尺寸均以这个比例缩放。在CATIA中测绘出三视图，并将尺寸缩放为翼展2.4m。



俯视图画出了机翼投影形状、升降舵尺寸及位置等



侧视图画出了发动机位置、机轮大小、方向舵尺寸位置等



正视图画出了机翼及平尾上反角，机轮横向位置等

在测绘外形的时候，不光是飞机主体尺寸和主要部件轮廓需要测绘，如轮子、舵面、发动机等大小及位置也都需要准确测绘，甚至窗户、天线等增加细节的部件也可以测绘下来。而且各部件的安装位置、轮廓边界都要清楚且统一。统一的意思就是不能俯视图和侧视图的机身不一样长，三视图应该是一个物体在三个面上的投影，所有的线条和尺寸都应该是可以完美匹配在一起的。如果在测绘过程中发现参考的三视图本身就存在不统一的情况，那就多找几张图，从不同角度确认一下，最终定一个统一尺寸。

从三视图我们已经可以获得很多飞机尺寸信息，统计如下


显然上述参数还不够我们构建出精确的飞机外形，因为对气动性能有重要影响的翼型、机翼及平尾安装角等数据无法从三视图中测量得出，这就需要我们自己来设计啦。

3确定总体参数
3.1整机重量
首先我们已经确定了这架像真机翼展为2.4m，制作工艺为轻木为主、使用复合材料加强。根据飞机各部位尺寸和以往制作经验，重量估计如下


这个重量是我们的设计初始条件，最终重量可能会与我们的初始条件有所出入，到时候再进行进一步的迭代和调整。

3.2巡航速度
一般航模的飞行空速为10~20m/s，根据以往经验，我们将这架飞机的巡航速度定为17m/s。如果说为什么是17m/s而不是16m/s，这其实就是根据我的个人喜好来定的，因为航模并没有一定的任务需求，所以速度可以随意设计。当然这只是一个单一的设计点，如果有更进一步的要求，可以在多个速度点进行设计。

4翼面设计
4.1机翼翼型选择
根据我们绘制的三视图，可以知道机翼投影面积为0.56m2。此处的机翼面积包括被机身遮挡住的面积，这样计算的原因一是考虑到计算总升力时，机身也会产生部分升力，二是计算气动力系数时，参考面积的选取对最终结果没有影响。



绿色部分是外部可见的机翼面积，而我们使用的机翼面积是绿色加橙色部分



升力公式

• 以海拔500m空气密度1.1679kg/m3计算，巡航升力系数为0.52，考虑到机翼稍部和根部的升力损失，二维翼型的升力系数应稍大于计算出的0.52。
  

雷诺数公式

• 根据测绘，机翼平均气动弦为0.305m，所以巡航时的雷诺数在30~33万左右。
  
• 因为机翼的受载大、内部设备较多、且需要固定发动机，所以选择最大厚度在12%及以上的翼型。
  

根据以上要求，选择机翼基本翼型为EPPLER67，如有需要修改的位置可以局部修改翼型。（具体如何选择翼型将会另有文章详述）



从形状来看，这个翼型厚度较大，内部容积大，后缘没有过分细窄，适合普通航模的制作工艺。



升力曲线及阻力曲线

从升力曲线来看，0°迎角时升力系数就达到0.5，明显属于高升力翼型，结合所需要的0.52左右升力系数来看，常用的迎角范围应为-1~3°。从阻力曲线来看，翼型的低阻范围约为0~3°，较好地契合了常用迎角范围。



升阻比曲线及力矩曲线

从力矩曲线来看，-2~4°范围内力矩系数保持平稳，对俯仰运动干扰小。

4.2机翼扭转角设计
二维翼型和其组成的三维机翼是有一定区别的，并不能简单的将二维翼型的合适迎角（如本例中要获得0.52的升力系数，翼型应有0°迎角）作为机翼各截面的扭转角。对于这种大展弦比机翼，分段确定扭转角是十分必要的。

根据机翼外形在机翼上设置几个截面，一般简单的平直翼和梯形翼只需要有翼根和翼尖两个截面就可以了，但是我们这次设计的机翼平面形状较为复杂，需要多设置几个截面以更好地控制机翼形状。


因为机翼形状本身具有转折，所以在转折处设置了截面。机翼外段较细长，所以也设置了截面加以控制，这样除去翼根和翼尖一共有5个截面，可以在这些截面处设置扭转角（几何扭转）来控制机翼升力分布，当升力分布越接近于椭圆时，诱导阻力就会越小。

根据测绘出来的机翼前后缘轮廓、上反角，在XFLR5里对机翼进行建模，各机翼截面扭转角先设置为初始值0°。使用定载分析解算机翼沿翼展方向的升力分布，并将椭圆分布同时显示出来，调整各截面的扭转角使机翼升力分布趋近于椭圆曲线，结果如下


可以看到，在多个截面控制下，翼根处的升力分布非常接近于椭圆分布。而在靠近翼尖处，因为当地弦长很短，若要完全符合椭圆分布势必会导致当地机翼扭转角和迎角很大，这样容易发生翼尖失速而危害飞行安全，所以在翼尖处不强求符合椭圆分布。
最终机翼在XFLR5里建模如下


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