航模技术发展史--F1c

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国际级自由飞模型飞机（F1C），是以活塞式发动机为动力的模型飞机，靠发动机的动力起飞，竞赛规则限制发动机的工作时间，在规定的时间内发动机必须停车，当发动机停车后，即可由爬升进入滑翔。也是比赛留空时间的竞技项目。这个项目在世界上开展得较早，在我国则是从1955年开始起步的，它的技术发展大体上可分为以下三个阶段。
6.1.3.1 第一阶段（1955–1958年）
1955年前后，由于发动机难得，只有少数人参考国外图纸进行仿制研究。当时的竞赛规则称为“二级自由飞模型飞机”（后于七十年代改称为国际级自由飞模型飞机，代号F1C，以下简称F1C），规定发动机工作容积载荷不小于200g/cm3，翼载荷不小于12g/dm2，发动机动力时间30秒，必须从地面三点起飞并且不准施加外力。最早用于F1C模型的国产发动机是湘江机器厂和太原仪表厂生产的53/55–1.8，这是一种按国外图纸仿制的1.8毫升压燃式发动机，转速较低，功率仅0.05匹马力。使用这种发动机的模型只能从地面滑跑起飞，以小角度盘旋上升，最大高度可达60米左右。
1956年，湘江机器厂和松陵机器厂生产了和平1.5、和平2.5两种新型的压燃发动机。使用这两种发动机的模型，可不经过地面滑跑加速，而采用三点支撑的方式起飞。这种起飞方式的模型，机身中部固定一根可以收起来的松木条为前着地点，另两个着地点为平尾后椽两端的滑橇。当发动机起动后，将模型三点触地一松手即可从地面大角度起飞（图61C-1）。模型离地后，在弹簧或橡筋条的作用下，把松木条收起贴于机身下，模型的爬升高度可达60-80米。当时模型制作结构比较简单，使用木制螺旋桨，用控制油量的方法来控制发动机的动力时间，不能准确控制动力时间。
1957年7月华东航空学院曾试制了“八一”号2.5cc发动机，用于参加当年的全国比赛，飞了满分取得了第一名的好成绩 。
1958年竞赛规则采用新标准：增加了发动机载荷（300g/cm3）和翼载荷（20－50g/dm2），发动机动力时间减少到15秒，允许从手上起飞，但不准双脚离地。新的标准对自由飞模型飞机的技术发展起到了很大推动作用。1958年模型气动布局、结构、动力系统、飞行及控制机构等方面都有比较突出的进步。
l        模型气动布局  
为了提高模型的滑翔性能减小下沉速度，开始减小水平尾翼的面积用以增大机翼面积。机翼面积约为28.0-28.5dm2，水平尾翼面积约为9.5-9dm2，水平尾翼面积占机翼面积的30－33％,机翼展弦比8.7左右。机翼采用的翼型多为MVA-301-75%，这种翼型弯度稍大，安定性和滑翔性能较好，但不利于爬升。机翼为三折上反角，有较高的翼台。
l        模型的结构  
机翼结构一般采用两组由松木条加桐木腹板构成的箱形或槽形梁，前后椽用桐木条与松木条拼合而成，在前后梁之间加斜翼肋，在前椽和前梁之间加半翼肋；水平尾翼结构与机翼相仿；机身用四片厚5－8mm的桐木片胶合而成，经削制打磨后断面呈椭圆形。发动机向右侧装。
l        模型的动力系统  
大都采用国产 “和平1.5”、“和平2.5”和“卫星一号”压燃式发动机。“和平1.5”是一款优秀的大批量生产的发动机，有较高的马力且工作稳定，曾广泛用于竞速和特技等各项目的训练和比赛。用于自由飞模型上使用φ200×H110（直径×螺距）的螺旋桨（下同），可在9000－1000转/分的转速稳定地工作。 “和平2.5”工作稳定性差，但经过精心选配修整磨合后，功率可达0.18马力。广东翁昭宇成功地用在他的模型上，在1959年9月全国第一届运动会上获得F1C第二名。
“卫星一号”是1958年4月西北工业大学（以下简称西工大）生产的小批量压燃式发动机。其工作容积2.48cm3，汽缸直径15.6mm活塞行程13mm，最大功率转速14500转/分，0.27马力，重量113g 。配合使用φ225×H120的螺旋桨，转速可达9000－10000转/分，是当时不可多得的好发动机，也曾广泛用于竞速和特技等各项目的训练和比赛，缺点是有时曲轴断裂。一运会上大多数运动员使用这种发动机。
北京航空学院（以下简称北航）为参加1958年全国航模分区赛成功制造了“东风一号”压燃式发动机，工作容积2.47cm3，汽缸直径 15mm 活塞行程 14mm，使用φ230×H130的螺旋桨，转速可达9800转/分。
为了尽量提高压燃式发动机的功率，各队对燃料配方进行了试验，比赛用配方比例大致如下：乙醚和蓖麻油各30％，煤油40％，为进一步提高功率和稳定性，再加入0.5－2％的亚硝酸戊脂或亚硝酸异戊脂，俗称“臭料”。
l        飞行和控制机构  
模型几乎都采用右盘旋爬升右盘旋滑翔的飞行方式，是因为右盘旋爬升比较安全，并且容易调整，当发动机停车后能比较平稳地进入右盘旋滑翔。用调整发动机的拉力线（右拉和下拉）的方法来控制模型的爬升轨迹，用方向舵控制盘旋的滑翔半径。西工大刘明道开始使用了一种德国生产的照相机自拍机，用来控制切断油路的机构，这样能比较准确控制发动机的动力时间。
l        著名运动员  
刘明道是我国研究F1C最早的运动员之一，成绩突出，他为参加1958年6月在匈牙利举行的第六届兄弟国家国际航空模型比赛而设计的F1C模型具有代表性（见图61C4）。模型使用匈亚利生产的X–3压燃式发动机，配合φ230×H120的螺旋桨，发动机转速达11000转/分，爬升高度可达110－120米，留空时间在3分钟以上。刘明道在这届比赛上以887秒（五轮180＋180＋180＋180＋167）的成绩获得第二名（见图61C5）。刘明道于1957年编著出版了《自由飞模型飞机的设计》一书，系统地阐述了有关自由飞模型的空气动力学原理、结构和调整试飞等关键问题，为我国F1C的发展起了非常重要的作用。

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6.1.3.3 第三阶段（1976–1993年）
文G十年浩劫中断了航模事业的发展，直到1978年恢复了全国比赛。此时，国际竞赛规则早已将动力时间改为7秒，飞行轮次也由5轮增加为7轮，满分后加时赛每轮递增1分钟。
l        模型气动布局  
1978年恢复比赛时，我国运动员曾惊奇地发现国外的优秀F1C模型气动布局已经与六十年代大不相同：机翼面积增加到了30.5－31.5dm2，机翼展弦比已大大增加，达12左右，翼展达2m ；平尾面积则减小到6－7dm2；尾力臂也加长了许多，给人一个“细手长足”的印象。从翼型的选择上，也不再分为偏重爬升的“平直派”和偏重滑翔的“弯曲派”，而是逐渐趋向于采用一种既不算弯也不算平的翼型，其外形大致类似于NACA4407.5。采用这类翼型其爬升阻力进一步减小，配合新型大马力的发动机，模型的爬升高度可达160－180m。1981年上海高勤飞的模型具有代表性（图61C-4）。九十年代初，吉林王显的模型机翼面积达32 dm2，展弦比超过了15，平尾面积仅5.5 dm2，留空时间可达7分30秒。
l        模型的结构  
这个阶段模型的结构出现了革命性的变化，逐步淘汰了已沿用多年的简陋形式，发展出了即流线美观又坚固耐用的高级形式。1978年，上海高勤飞首先采用了类似F2A竞速模型铸铝下机身作为发动机架，用螺钉将其固定在带有整流罩的机身上，机身的断面也不再是矩形，而是用桐木片卷成一个带有锥度的圆筒。其外形美观重量轻，并且减小了阻力。
1980年，天津陈康生采用铝合金车铣加工而成的整体式机头，这种机头作为发动机架，其强度和刚性极好，外形非常流线美观。1982年，广东陈志健采用铝合金管作为机身中段与整体铝合金机头配合成为机身前段，用玻璃纤维布与轻木卷成机身尾管，还配上了用铝合金车制的接头，使机身尾管与机身前段可以方便地拆装，使得模型箱大大减小了体积，方便了运输。后来改进为用鋁合金棒车铣加工成一个整体的前机身，并且增加了壁厚，有利于减小震动，使发动机工作的更加平稳。
1983年，天津陈康生在尾管上用环氧树脂敷上碳纤维，使得尾管强度大增，甚至有过模型带动力坠地后尾管无损的纪录。1985年，吉林王显在碳纤维尾管的外面再卷上一层厚0.03mm的铝箔。它的最里层是厚0.03mm的玻璃纤维布，中层是厚1.5mm（大头）－0.8mm（小头）的轻木片，外层是碳素纤维，表层是厚0.03mm的铝箔，在模具上用环氧树脂胶合成型，重量约38-40g，其强度和刚性很好。唯一不足的是工艺要求高，加工困难，只有靠熟练的操作才能达到要求。1987年，陕西红安公司生产了一批全碳素纤维尾管，重量在38-41g左右。经部分队使用后发现太脆，极易折断。后来改进了铺层设计，有人还在其外面又蒙上了一层铝箔，强度大大提高。至此，各队基本上都是采用这两种结构形式的尾管。
随着F1C模型爬升速度的提高，任何翼面哪怕是出现一点极小的变形，都有可能造成灾难性的后果。1982年，广东陈志健首先在机翼中段的结构上作了重大革新，采用了碳纤梁加轻木铝箔全蒙板的新型结构。其制作方法是先将厚0.02-0.03mm的硬铝箔用环氧树脂胶粘贴在厚1-1.5mm的轻木片上，然后再将这块复合板蒙在由碳纤梁和翼肋组成的骨架上，形成封闭的全蒙板结构。它的重量轻，一付机翼全重仅180g左右，其强度和刚性都非常好，尤其是抗扭性能极好。在日晒雨淋的恶劣气象条件下，几乎完全不变型。后来，许多队把整个机翼、平尾和垂尾都采用了这种结构。
l        模型的动力系统  
在1978年的全国比赛上，除上海高勤飞使用进口罗西牌发动机和四川罗四逐使用北航东风12号发动机的马力较大外，其他多数队仍然使用相对马力较小的R-4型发动机。罗西牌发动机是意大利生产的F2A竞速专用型发动机。其结构先进、加工精密，转速高、马力大，可达32500转/分约1.1马力。1979年以后，罗四逐为首的研制小组在雅安仪表厂推出了“熊猫”牌发动机，331厂先后生产了“云雀”和“三叶”牌发动机，上海高国钧领导的研制小组自行研制出“CS”牌发动机，其性能与“罗西”牌发动机不相上下。可惜的是这些发动都是专为F2A设计制造的，必须配装谐振管才能达到最大功率转速，其排气角度达175－195度，俗称“大口”。由于谐振管还具有一定的消音作用，用在F1C上时，往往造成裁判员不能准确测定发动机的停车时间，为此在F1C的规则中增加了“不允许在发动机排气口上加装延长物”的规定。不加装谐振管的F2A发动机，在F1C发挥不出高转速、大马力的性能。 为此，F1C运动员在逐步发展自己的专用型发动机，其排气角约150－165度左右，俗称“小口”。八十年代初期出现的美国“纳尔逊”牌商品发动机是F1C专用型发动机，它的最大功率转速约2700－2800转/分，用在F1C模型上可以获得很好的效果。1982年广东陈志健首先使用了这种发动机以后，各队相继进口了相当数量的“纳尔逊”牌发动机，至九十年代仍为我国F1C运动员所广泛使用。遗憾的是还没有一种国产商品发动机能与之匹敌。
发动机功率和转速的提高，以往精制层板桨的强度和刚性显得不足，不利于充分发挥发动机的功率，制作的稍有不对称或者桨叶偏薄，在空中会出现颤音，即发生剧烈的振动，不仅会大大降低螺旋桨的效率，并且是非常危险的。1982年，广东陈志健和内蒙古冯玉首先使用碳纤维直桨。碳纤维复合材料是高科技的新型材料，其强度非常大而重量却很轻，是制作螺旋桨很理想的材料。碳纤桨与“纳尔逊”发动机匹配起来，更加提高了模型的爬升速度。
碳纤维直桨与层板桨在模型着陆时经常损坏。为此，1983年，天津陈康生首先使用自制的碳纤维折叠桨（图61C-5）。这种桨的结构是用碳纤维材料制成两片可以折叠的桨叶，再分别用销子与桨毂连接。当发动机带动其旋转时，靠离心力把两片桨叶甩成一条直线，发动机停车后可自行向后折叠，即可以减小模型的滑翔阻力又不易损坏。不易损坏的好处是显而易见的，它不仅仅是使运动员减小了制作螺旋桨的工作量，而更重要的是因为不需要经常更换螺旋桨，从而保证了动力系统的稳定性，模型的爬升轨迹就相对稳定，提高了模型的可靠性。
l        飞行和控制机构  
这个阶段模型的爬升和改出与前一个阶段有了很大的改变，模型已不再采用螺旋式的爬升轨迹，也不再采用打右舵右旋转的方式改出进入滑翔。而是改变为模型垂直爬升，然后增大平尾安装角（推杆）使模型改出进入滑翔，整个过程呈倒L的轨迹。在垂直爬升过程中，模型几乎可以不绕纵轴转动，多则转270度，少则一点不转。1982年全国比赛中，四川、广东等队首先使用了停车时推杆模型作1/4倒筋斗改出的技术。就是当控时器控制发动机停车时（或者稍有延时）再控制平尾使其安装角增大（比爬升时增大约2－5度），迫使模型低头抬尾，当模型由垂直爬升改出接近平飞时，控时器又控制平尾安装角使其减小到滑翔时的角度，此时模型进入正常的滑翔状态。
1985年四川队发展出了一种被称为“两次抬尾”的技术。其原理是模型改出作1/4倒筋斗后分两次抬尾（减小其安装角）。第一次抬尾只将平尾的安装角减小到滑翔时安定性较好的位置，便于当模型在因爬升轨迹出现异常而进入波状飞行时能迅速改平；在第一次抬尾30－40秒后再进行第二次抬尾，这时平尾的安装角才减小到最佳滑翔性能的位置。这项技术使得F1C的改出过渡阶段更为完善，特别是对于加时赛争取最大留空时间十分有利而安全，因此被广泛应用。
随着发动机马力的提高和动力时间的减少，每0.1秒的动力时间都显得非常珍贵，因而更加精确地控时和更加瞬时地停车就显得非常重要。1980年，广东陈志健首先使用钢丝式刹车装置。这种刹车装置机构简单可靠，它利用绕成约11/4圈弹簧状的φ1mm钢丝套在后桨毂外，当富油停车机构动作的同时将后桨毂抱紧，起到刹车作用，能在瞬时很干脆地停车。有经验的运动员能有把握地将动力时间控制在6.9－7.0秒。
1987年，四川队首先在六运会预选赛上成功地使用了装有控制襟翼的F1模型。控制襟翼就是改变机翼翼型中弧线的弯度，实际上也改变了机翼的安装角。在爬升过程中将襟翼向上抬起减小翼型的弯度，实际上也减小了机翼的安装角，这样就减小了爬升阻力提高了爬升速度；而在滑翔时将襟翼放下增加翼型的弯度，实际上也增大了机翼的安装角，这样又提高了升阻比降低了下沉速度。在比赛中模型表现出了良好的爬升和滑翔性能，在静气流中留空时间可达7分半钟。但是，控制襟翼机构复杂，制作维修困难，降低了可靠性。
1989年，国内竞赛规则超前于国际竞赛规则将F1C动力时间由7秒改为5秒。因动力时间减少，模型爬升高度也由原来的170－180m降低为120－130m左右，我国优秀运动员的模型在静气流中仍可飞到5分钟以上的水平。在1991年世界锦标赛上，我国运动员一举夺得F1C团体冠军。
l        著名运动员  
上海高勤飞。
广东陈志健。
天津陈康生。
吉林王显。


                                                                                                
F1C   第一稿：1998-      杨伟威
第二稿：2001-1-17  王维忠  【字数7780  字符数（包括空格8607）】

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Don-QuixotE

佩服！

震元子

尘封的记忆！95年怎么还是黑白照片啊！