从虚拟到现实，一架F3A的设计和制作 （全文完，图纸在104楼）

ahazyz

前言：
F3A以其优雅的姿态，舒展的特技飞行深受广大模友的青睐。其特技机外形秀美而不失刚劲，集众多爱好者的智慧于其中。在于一种永无止境的挑战，挑战自己的极限，挑战设备的极限，挑战设计的极限。当然这不仅仅是F3A的精神，也是航空航天领域的精神。。。远了，不提这些了。
由于对此项运动的钟爱，在参考了大量前人的设计后，决定设计和制作一架自己的F3A。此工程于去年竣工完成。谨以此文与各位同好们共享设计、制作、调试方面的经验，希望对大家有一些帮助，不当之处敬请告知 ahazyz@gamil.com

此贴是一个长贴，会用一些天上传完成所有的内容，图片会多的手软

设计效果图：




制作完成图：




飞行玉照：


[ 本帖最后由 ahazyz 于 2011-2-25 22:07 编辑 ]

ahazyz

下面，我们开始咯, 首先是枯燥的理论部分

一、设计篇：
现代F3A运动讲求姿态控制精准，动作细腻柔和，飞行速度均匀稳定。其大部分动作基本在一个面内完成，运动轨迹基本由规则的几何图形组成，包括大量的滚转、倒飞、侧飞和垂直飞行动作，努力达到和更好地完成这些飞行动作是设计工作的基本方向。

3A特技机的气动外形是基于FAI比赛需要而设计的，随不同时代技术进步以及飞行动作发展而不断进化。由早期的大翼展（翼展大于机身长度）过渡到现在的长机身（翼展与机身长度基本相同，或机身长度略大于翼展），由较小的机身侧投影面积发展为较大的投影面积等无不体现着这些变化。据此，对各种姿态下飞行稳定和平衡的追求，作为整体思路贯穿在本架飞机的设计之中--长的尾力臂可以使姿态控制更加柔和，适中的主翼根梢比提供了均衡的横侧稳定性，大的尾舵面弥补了长尾臂带来的操纵迟缓，以完成礼帽等直角空中动作，高而窄的机身使飞机有着较大的侧投影面积，尽量以较小的倾角完成侧飞动作

由于此模型为小型F3A特技机，我不希望其飞行速度过快，不然就缺少了一种稳定感。同时为了使之在做俯冲或垂直下降动作时也尽量保持匀速稳定飞行，在设计过程中增大和利用了形状阻力。比如，使用成熟的NACA0014作为主翼翼型以提高相对小雷诺数机翼模型飞行时的稳定性和抗失速性；适当降低了一些翼载荷--约50g/dm2，以求降低整机的惯性力矩，用以弥补使用NACA0014这类翼型造成的直角动作的相对迟缓；尾翼均使用带翼型的NACA0009。垂直尾翼的设计，尝试了2007年克里斯托弗的参赛机型Osmose的特点，加大了方向舵的后缘厚度，以期达到更好的直线性。垂直安定面采用标准翼身融合的设计，增加了其下部靠近机身纵轴的前缘厚度，然后过渡到较薄的翼尖。这样即可增大整架飞机的纵轴上尾部阻力，同时尽量保持各向气动布局均匀，使飞行更加稳定。

大致确定各项基本参数：
1.
外形尺寸：1.2m x 1.2m
2.
重量：1.2kg
3.
翼载荷：约50g/dm2
4.
主翼面积：约26dm2
5.
水平尾翼面积：6.5dm2
6.
机身侧投影面积：约18dm2，侧飞载荷约为66g/dm2
7.
推重比：约1.6 ~ 2
8.
无刷马达：600W
9.
电调：80A
10.
动力电池：25C 4S1P2200mah ~ 25C 4S1P 2800mah
11.
螺旋桨：11 x 5 ~ 12x 6
选购的动力系统经过实测，最大可提供约2.5kg的静拉力（4S1P 2200mah 25C，45A持续电流，约600W输入功率，使用11 x 7, 25C 4S1P2200mah测得）。为尽量接近实际飞行中的环境，测试时使用了稍大一些桨距的螺旋桨。日后在实际飞行时还将实验11x5和12x6的螺旋桨。考虑到电池组的放电时压降特性以及动力系统不至过载，取2kg作为实际拉力。将数据代入Propeller Selector以及Motor Calculator中验证，基本吻合。此动力系统并不需要80A这样大的电流，但考虑到保留负载余量和日后的需要，还是决定使用大一些的电调。




整机使用松木，桐木，轻木和层板制作。手中各种材料的密度经测量如下


根据表中数据可见这几种常用的材料中层板，松木，桐木，轻木密度比大致为4:3:2:1。
我国出产的桐木有着良好的机械性能和低廉的价格，在这架飞机的设计制作中被大量使用，比如翼肋，一般可使用2mm轻木，本方案中使用了1mm桐木，重量相差不大，强度没有降低。轻木主要用于外蒙板和需要大面积粘接的地方，因为在胶粘领域，粘接面积是王道，这时轻木的优势就体现出来了，当然还需考虑木材纹理的搭配。

本机使用JR 2.4G的遥控接收设备，可选择Spektrum DSM2接收机。有时见到朋友将其微型接收机用在大飞机上，非常为之担心。实际上该飞行器接收机系列从遥控距离上是有区分的，主要分为Parkflyer 和 Full Range 两类。Parkflyer用于微型或小型电固机型和450及以下级别的直升机。Full Range系列没有限制，同时一般带有子接收，受控距离更远，也更稳定。
由于笔者手中的电调没有接收机供电输出，考虑到重量控制的因素，没有选用电池组供电，而是根据整机舵机的综合输入功率单独购买了与之匹配的UBEC。对于此级别模型，接收系统的供电原则基本为在舵机负载情况下（可用手按压各个舵面模拟其空中受力情况）电压始终不应低于5v，持续电流不应大于3a，峰值电流不应大于5a，不然的话需考虑使用更大容量的供电系统，比如并联供电电池组或采用更大输出的UBEC等。
使用2个1.8公斤级扭矩的舵机分别控制左右副翼，飞行中还可开启遥控器中襟副翼功能和升降舵混控功能使直角动作更加利落地完成，用以弥补未使用层流翼型带来的不足。整机翼载荷不大，主翼翼型前缘饱满抗失速性好，所以着陆时无需使用襟副翼升降舵混控。由于F3A的飞行特点，尾部舵面在飞行中受力较大，选用了2个2.7公斤扭矩的舵机分别控制方向舵和升降舵。
起落架没有选用收方式总成，使用铝材自制。从现代F3A模型来看，后掠式起落架已成主流，外形美观，结构简单，可缓解着陆时的弹跳现象，当然过硬的着陆技术比单纯加强起落架更有效。
至此，整机的配置和结构已经基本确定，下面我们将进入此架飞机三维设计和三维虚拟制作部分。





[ 本帖最后由 ahazyz 于 2011-2-23 13:48 编辑 ]

KGy

顶一下，也对这样的小飞机感兴趣。
期望小飞机能有足够好的性能，加上它的方便和安全就更好了。

cw8888

不错

ahazyz

理论相对于直观的图片来说是相对枯燥的，纯理论是不可取的，所以接下来我们开始一次虚拟设计制作。

二、三维设计和虚拟制作篇

关于设计工具的选用，这是个见仁见智的问题，但无论使用哪种CAD工具只要适合自己并将其掌握其精髓，都是最好的。在3D实体设计中，通过我们输入的各种基础数据例如材料密度，材质属性，剪切模量，张力强度等信息可以实时地计算出诸如重心，惯性力矩，部件应力分析等信息，并将其直观地显示在设计者面前。这样可以避免某些痛苦地摸索，同时可以将许多实际制作中会遇到的困难提前在3D空间中予以解决。比如
计算出的重心位置及体积等信息


变换电池位置后重心的变化。



通过物理碰撞检查确定机身尾侧连杆开孔大小及位置



首先，开始各个零部件的建模，其目的是1.热身（几个月没有建模了，练练手haha）2.日后可极为真实地将各部件反映在总装图中 3.精确计算出所有部件的重量，机体转动惯量等数据 4.如有需要可以计算关键部位应力等等，好处超多值得投入。
部件很多包括所用的各种电子外设，各操控总成等，该用材质密度的用材质密度，无法用此属性的就自定义吧（比如马达等）。具体建模的方法够写一本书了，这里就不一一列出了



配件建模后，就根据自己的设计思路和特点，作出关键的三视图，三视图和翼型定下来了基本这架飞机的飞行性能已经确定了。


由点及线


由线及面


机身自上而下由三部分组成，中间部分是整架飞机的主要承力部分，发动机的拉力，起飞着陆时地面对起落架的冲击，机翼的升力等均作用于此，各个主要受力部位需要着重考虑。隔框和贯穿首尾的四根3x4mm松木条以及1mm桐木蒙板构成了机身中部的主体架构。考虑到机身尾部的强度，同时避免因拿捏而产生不必要的凹陷，同时整体重量通过计算已经控制在了1.2kg左右，所以后部蒙板未开减重孔。机身中部与起落架和机翼连接位置是整架飞机的受力中心，需要特别加强。在这里没有使用传统的层板翼撑结构，而是通过另外两张1mm桐木片与外蒙板胶合形成了从机头至机尾2mm，3mm，1mm的结构布局

ahazyz

这样，机身上就没有柔软的腹部了，但我们付出了重量上的代价。如拿捏小心同时不介意柔软腹部的话，可镂空制作机身后半部。

机身上部和下部包括发动机舱下腹罩，由于承力小，所以选用2mm和1mm的桐木片制作隔框，除电池仓罩外，其余隔框均与中部隔框粘合。机身上部（含垂直安定面）和下部均蒙1mm轻木片。


制作时确保各个部件平直，最后的两个隔框也是作为翼身融合的垂直安定面的内部架构，安装时要确保垂直。
机头罩最初设计为与机身融合的框架结构但考虑到强度等问题，所以在后续制作改为薄壳玻璃钢结构。
在做好螺旋桨的动静平衡前提下，无刷马达的优点之一是振动小，但其在运转中整机的共振依然不可轻视，发动机防火墙老老实实使用了4mm层板承载动力总成的拉力，并由后面的几个2mm层板制作的隔框进行过渡。不过防火墙上挖空减轻了重量。



其它主要受力点需要考虑加强，比如起落架安装座，机翼前榫插板


根据飞机正常起落时起落架根部受力情况分析，起落架安装座前后隔框设计的榫孔位置并不相同



机身翼弦中部受力不大，使用2mm桐木作为隔框


机身翼根后缘使用了2颗3mm螺栓与主翼固定，安装座为架托结构
，可以有效地避免应力集中，将受力分散到隔框和机身上


舵机摇臂与舵面摇臂的连接，我认为“大传动更大”的传动方式可以相对减少各部件间的旷量引起的精度损失，同时不会给舵机带来额外的负担。比如假设传动系有0.3mm的总旷量，如果舵机摇臂摇臂为10mm，传动舵面摇臂12mm，通过分析我们可知其传动系精度损失将大于20mm对24mm的情况。出于此目的以及受机舱内部空间限制，舵机布局为串列。同时为减少舵机安装座的面积，将其设计为横向串列，而不是纵向串列。如果朋友们希望水平尾舵操作更加精准，可将舵机横置，使其摇臂动作面与舵角动作面平行，以消除舵机大角度运动时带来的舵面偏差，例如许多商品机的副翼舵机使用了舵机盒横向安装舵机


机身后部由于受力力相对分散，所以隔框使用2mm桐木


在系统中通过物理碰撞检查，转动各个摇臂并确认尾部传动系在任何情况下与各个隔框以及机身出孔没有干涉。
装上水平尾翼总成和垂尾尾舵，再次通过物理碰撞检查确认在各种情况下舵面、连杆、摇臂、夹头之间也不存在任何干涉


蒙机身中部加强板，1mm桐木片


然后蒙机身前部至中部加强板，1mm桐木片



蒙机身侧蒙板

ahazyz

蒙机身下部蒙板1mm轻木


粘接机身上部各个隔框


最后蒙制上部以及垂尾安定面，通过使用的各种材质密度计算出机身重量在221克左右


机翼的设计相对简单一些，但需要着重考虑翼根的强度。前部使用3mm碳杆作为插销，并将其固定在两片2mm层板构成主翼销架上



左右机翼的中部由松木削制成的连接板与腹板粘合固定，另外加上一道辅梁及其腹板加强中部。后部用松木块制作机翼安装座并与翼肋和翼根后缘粘接，以提供足够的强度与机身固定


翼根的几片翼肋不仅作为基本结构连接左右机翼，同时在机翼与机身连接后还起到支撑的作用，所以使用2片2mm桐木制作W2和W3，使之有足够的强度支撑机翼与机身之间的压力


机翼制作时，将各片翼肋和半翼肋通过翼梁、腹板、前后缘插接到位，并确保垂直。使用少量502胶水进行定位。在确认没有扭曲后可用白乳胶正式粘接



翼尖为没有使用轻木块削制，也是采用架构结构然后蒙板，我觉得并没有比整块轻木削制复杂，强度也足够，由于采用轻木蒙板所以曲面可以很好地控制。



副翼制作不再赘述。左右机翼对接粘合完成

ahazyz

使用同样的方法制作水平尾翼，用浸润502胶的轻木块制作舵面摇臂基座


制作完成的方向舵，可以看到其相对宽厚的后缘


最后将建模好的各个零部件和电子外设在3D空间中总装，并根据提前准备好的各种材质密度、个别零部件的质量求得整机的重量。机舱罩使用玻璃钢制作，为备出冗余量（如胶水、制作中个别加强片等）在3D建模时使用了1mm的厚度，实际制作中其厚度应在0.5mm左右。调整电池和电调的位置，原则是便于安装固定和日后维护；重心大约在30%前缘处、拉力线稍偏下的位置；电池尽量靠近重心（因为考虑到日后也有可能使用多出50g的2800mah电池），测算出这些部件的大致安装位置


蒙皮根据经验其重量在0.8~1g/dm2，本机需100dm2左右。至此3D空间中的设计和制作已全部完成，搓搓手，我们正式开工吧。
开工前再看一眼效果图，激励一下自己。

ahazyz

2010.3.16 什么日子？宜破土？不知道，没查黄历，开工了！

早先被激光切割伤害过（非肉体上的），所以更相信自己的双手，但也不能太刀耕火种了，决定先给自己做一架Mini切割机， 工欲善其事,必先利其器。晒晒基本的干活家伙。（我上次遇到的激光切割应该没有调好，不可以一概全， 当然，如果有条件使用激光切割机，将极大地提高工作效率和精度）



电磨切割时请使用金刚石切割片，切割2mm以内的木料相当给力，断面的垂直度绝无问题，还可打磨。缺点是处理内弧线时就无力了，那时就需要曲线锯帮忙了。 请带好护目镜和手套，还有口罩。记得一定要爱惜和尊重自己(这次是肉体上的）。

将翼肋图纸覆在木片上，使用少量胶水点定位，然后用斜口刀和锯切割成小件


使用自制的小台锯进行精加工，修整边缘


使用曲线锯切除减重孔，去除图纸，完成各肋片制作


使用厚桐木片制作中部连接，使用松木制作后缘连接片




准备翼梁腹板，辅助梁腹板，后缘条等


制作尾翼肋片，腹板等


加工机身各隔框、垂尾安定面肋片，安定面后缘等


使用铝合金加工后掠起落架


丝锥攻丝然后穿过3mm钢机制螺丝，需使用3mm螺母锁紧，机轮部位需使用电钻当车床将轮轴部位磨光。

ahazyz

平尾安定面中部连接片，使用桐木制造




搭建平直的机翼、舵面，治具必不可少，没有铝合金角材，那就用防火板吧。两条距底边5cm的线。


将前后缘条，仔细，认真，小心地粘好，不是粘牢，除非防火板日后成为飞机的一部分




直角尺，卡尺，钢板尺等，使用你能想到的尺子保证各肋片平直


502定位，然后白乳胶。3白+2水=你减少了几乎一倍的用胶量。

dov1980

:em26:  太好了！
请问 使用得是什么CAD软件？

[ 本帖最后由 dov1980 于 2011-2-23 14:33 编辑 ]

河马PRS

帅呆了，很专业很强大！
我自己用泡沫切割，很随意的做，正好有学习的对象了。

ahazyz

方向舵架构完成，下面是水平尾翼总成了，如法炮制
安定面


水平尾翼和方向舵完成


开始主翼，准备好前后缘，和肋片。


这里需要说一下半翼肋，我个人觉得半翼肋非常重要的，原因有
1. 很好的支撑，避免前缘蒙板主翼肋之间的塌陷
2. 很好的支撑，避免前缘蒙板主翼肋之间的塌陷（在受外力作用下-折弯、扭转）
3. 提高前缘D盒的强度，毕竟传统架构的机翼主要就是靠D盒承力了。
缺点
1. 重量的增加，新设计的60级3A，所有半翼肋加起来7g，1mm桐木片制作，我认为与得到的好处比，值得
2. 制作复杂了，这真的没有办法了

左右两片主翼完成，摆在这副大图上看看


中部的连接件


机翼插隼座




我使用的打胶工具，针头已经磨圆。只用了1~2分钟，与得到的安全比起来，值！（注意劳保）

河马PRS

想问LZ，一只机翼大概有多重？包含舵机等设备情况下。
我做的机翼(翼展150CM)，单边机翼重量大概在170克，不知是什么概念。

ahazyz

机翼拼接完成


制作时需要时时刻刻、刻刻时时地注意部件的平直，上下翼面全是弧线，用墙作为治具，确保前后缘的平直，如有扭曲及时纠正。有三次机会纠正扭曲。第一次是在框架搭建中，这是第二次机会，框架完成后。


主翼架构完工


开始副翼制作，


主翼副翼完成


开始蒙板，1mm轻木。使用胶带将蒙板固定好，需要使用直尺和刀将木片切齐后使用，请勿相信木片任何一边是平直的。


先蒙一面，如有任何扭曲，随时纠正，再蒙另一面前，这是最后一次机会纠正扭曲。不然就需要手术了


估算一下主翼的重量


据设计重量有一些偏差 （差15g），为什么呢？！找到原因了，所使用的桐木是1.2mm的，非1mm，所以使用桐木的部件全部超重20%。


继续粘接另一面

ahazyz

原帖由 dov1980 于 2011-2-23 14:31 发表
:em26:  太好了！
请问 使用得是什么CAD软件？

您好，是SW

ahazyz

您好，1500mm飞机在50~60级左右（特技机领域）340克的主翼重量应该比较正常，如条件允许还可有减重的空间

河马PRS

谢谢你，我是初学者，和LZ相比相差太远太远了！LZ很专业很谦虚，值得学习，希望继续贴，我都在不断的刷屏了！

小威

牛贴留名···佩服楼主的技术··:em15:

ahazyz

谢谢朋友们的鼓励。共享和交流，就是互联网精神:em21:
晚上接着贴