航模的基本原理和基本知识
-婚假国家规定2016
一、航空模型的基本原理与基本知识
1)
航空模型空气动力学原理
1
、力的平衡
飞行中的飞机要求手里
平衡，
才能平稳的飞行。
如果手里不平衡，
依牛顿第二定
律就会产生加速度轴力不平衡则会在合力的方向产生加速度。
飞行中的飞机受的
力可分为升力、重力、阻力、推力﹝如图
1-1
﹞。升力由机翼提供，推力由引擎
提供，
重力由地心引力产生，
阻力由空气产生，
我
们可以把力分解为两个方向的
力，
称
x
及
y
方向﹝当然还有一个
z
方向，
但对飞机不是很重要，
除非是在转
弯中﹞，
飞机等速直线飞行时
x
方向阻力与推力大小相同方向相反，
故
x
方向合
力为零，飞机速度不变，
y
方向升力与重力大小相同方向相反，故
y
方向合力亦
为零，飞机不升降，所以会保持等速直线飞行。
升力
推力
阻力
重力
图
1-1
弯矩不平衡则会产生旋转加
速度，
在飞机来说，
X
轴弯矩不平衡飞
机会滚转，
Y
轴弯矩不平衡飞机会偏航、
Z
轴弯矩不平衡飞机会俯仰﹝如图
1-2
﹞。
圖1-1
Y
軸
(偏航軸)
Z
軸
(俯仰軸)
(滾轉軸)
X軸
圖1-2
图
1-2
2
、伯努利定律
伯努利定律是空气动力最重要的公式，简单的说流体的速度越大，静压力
越小，速度
越小，静压力越大，流体一般是指空气或水，在这里当然是指空气，
设法使机翼上部空气
流速较快，
静压力则较小，
机翼下部空气流速较慢，
静压力
较大，
两边互相较力﹝如图
1-3
﹞，
于是机翼就被往上推去，
< br>然后飞机就飞起来，
以前的理论认为两个相邻的空气质点同时由机翼的前端往后走
，
一个流经机翼的
上缘，另一个流经机翼的下缘，两个质点应在
机翼的后端相会合﹝如图
1-4
﹞，
经
过仔细的计算后发觉如依上述理论，
上缘的流速不够大，
机翼应
该无法产生那
么大的升力，
现在经风洞实验已证实，
两个相邻空气的质点流经机翼上缘的质点
会比流经机翼的下缘质点先到达后
缘﹝如图
1-5
﹞。
圖1-3
图
1-3
圖1-4
图
1-4
圖1-5
图
1-5
3
、翼型的种类
真空
升力的錯誤理論
圖1-6
升<
/p>
力
阻
力
升力的錯
誤理論
圖1-7
< br>全對稱
克拉克
Y
半對稱
內凹翼
圖3-2
S
型翼
１全对称翼：上下弧线均凸且对称。
２半对称翼：上下弧线均凸但不对称。
３克拉克
Y
翼：下弧线为一直线，其实应叫平凸翼，有很多其
它平凸翼型，只是
克拉克
Y
翼最有名，
故把这类翼型都叫克拉克
Y
翼，但要注意克拉克
Y
翼
也有好几种。
４
S
型翼：中弧线是一个平躺的
S
型，这类翼型因攻角改变时，压力中心较不变
动，常
用于无尾翼机。
５内凹翼：下弧线在翼弦在线，升力系数大，
常见于早期飞机及牵引滑翔机，所
有的鸟类除蜂鸟外都是这种翼型。
基本航模的翼型选测规律：
１薄的翼型阻力小，但不适合高攻角飞行，适合高速机。
２厚的翼型阻力大，但不易失速。
３练习机用克拉克
Y
翼或半对称翼，因浮力大。
４特技机用全对称翼，因正飞或倒飞差异不大。
５斜坡滑翔机用薄一点翼型以增大滑空比。
６
3D
特技机用前缘特别大的翼型以便高攻角飞行。<
/p>
4
、飞行中的阻力
一架飞行中飞机阻力可分成四大类：
１磨擦阻力：
空气分子与飞机磨擦产生的阻力，
这是最容易理解
的阻力但不很重
要，只占总阻力的一小部分，当然为减少磨擦阻力还是尽量把飞机磨光。
２形状阻力：
物体前后压力差引起
的阻力，
平常汽车广告所说的风阻系数就是指
形状阻力系数﹝如
图
3-3
﹞，
飞机做得越流线形，
形状阻力就越小，
尖锥状
的物体形状阻力不
见得最小，反而是有一点钝头的物体阻力小，读者如果
有机会看到油轮船头水底下那部分
，你会看到一个大头，高级滑翔机大部
分也有一个大头，除了提供载人的空间外也是为了
减少形状阻力。
圖3-3
３诱导阻力：
机翼的翼端部因上下压力差，
空气
会从压力大往压力小的方向移动，
部份空气不会规规矩矩往后移动，而从旁边往上翻，因
而在两端产生涡流
﹝如图
3-4
﹞，<
/p>
因而产生阻力，
这现象在飞行表演时，
飞
机翼端如有喷烟时
可看得非常清楚，你可以注意涡流旋转的方向﹝如图
< br>3-5
﹞，﹝图
3-6
﹞是
NASA
的照片，可看见壮观的涡流，因为这种涡流延伸至水平尾翼
时，从水
平尾翼的观点气流是从上往下吹，因此会减小水平尾翼的攻角，也就是说
水平尾翼的攻角实际会比较小，
﹝图
3-6<
/p>
﹞只不过是一架小飞机，
如像类似
747
这种大家伙起飞降落后，
小飞机要隔一阵子才能起降，
否则飞入这种涡
流，后果不堪设想，这种阻力是因为涡流产生，所以也称
涡流阻力。
氣流流向
往後上翻的氣流
圖3-4
圖3-5
４寄生阻力：
所有控制面的缝隙﹝如主翼后缘与副翼间﹞、
主翼及尾翼与机身接
合处、机身开孔处、机轮及轮架、拉杆等除本身
的原有的阻力以外，另外
衍生出来的阻力﹝如图
3-7
，
3-8
﹞。
寄生阻力
圖3-7
< br>副翼
機翼後緣
寄生阻力
圖3-8
一架飞机的总阻力就是以上四种阻力的总合，
但飞机的阻力互相影响的，
以上的
分类只是让讨论方便
而已，另外诱导阻力不只出现在翼端，其它舵面都会产生，
只是翼端比较严重，磨擦阻力
、形状阻力、寄生阻力与速度的平方成正比，速度
越快阻力越大，诱导阻力则与速度的平
方成反比﹝如图
3-9
﹞，所以要减少阻力
的话，
无动力飞机重点在减少诱导阻力，
高速飞机重点在减
少形状阻力与寄生阻
力。
阻
力
磨擦、形狀、寄生阻力
總阻力
誘導阻力
速度
圖3-9
5
、机翼负载
翼面负载就是主翼每单位面积所分担的重量，
这是评估一架飞机性能很重要的指
针，模型飞机采用的单位是每平方公寸多少公克﹝
g/dm
2
﹞，实机的的单位则是
每平方公尺多少牛顿﹝<
/p>
N/m
2
﹞，
翼
面负载越大意思就是相同翼面积要负担更大的
重量，
如果买飞机
套件的话大部分翼面负载都标示在设计图上，
计算翼面负载很
简
单，
把飞机﹝全配重量不加油﹞秤重以公克计，
再把翼面积计算
出来以平方公
寸计﹝一般为简化计算，与机身结合部分仍算在内﹞两个相除就得出翼面负
载，
例如一架
30
级练习机重
1700
公克，主翼面积
30
< br>平方公寸，则翼面负载为
56.7
g/dm
2
。
练习机一般在
50~70
左右，
特技机约在
60~90
，
热气流滑翔机
30~50
，
像真机
110
以内还可忍受，牵引滑详机约
1
2~15
左右，
6
、展弦比
从雷诺数的观点机翼越宽、
速度越快越好，
但我们不要忘了阻力
，
短而宽的机翼
诱导阻力会消耗你大部分的马力。飞机要有适合
的展弦比，展弦比
A
就是翼展
L
除以平均翼弦
b(A=L/b)
，
L
与
b
单位都是
cm
，如果不是矩形翼的话我们把右边
上下乘以
L
，得
A=L
2
/ S
，
S
是主翼面积，单位是
cm
²，这样不用求平均翼弦，
一般适合的展弦比在
5~7
左右，
超过
8
以上要特别注意机翼的结构，
药加强记忆
强度，否则，一阵风就断了。滑翔机实机的展弦比有些高达
30
以上。
如前所述
磨擦阻力、
形状阻力与速度的平方成正比，
速度越快阻力越大，
诱导阻
力则与速度的平方成反比，所以高速飞机比较不考虑诱导
阻力，所以展弦比低，
滑翔机速度慢，
采高展弦比以降低诱导阻
力，
最典型的例子就是
U2
﹝如图
3-15
﹞
跟
F1
04
﹝如图
3-16
﹞，
U2
为高空侦察机，
为长时间翱翔，
典型出一次任务约
10~12
小时，
< br>U2
展弦比为
10.5
，
F104
为高速拦截机，
速度达
2
倍音速以上，
展弦比
4.
5
，
自然界也是如此，信天翁为长时间遨翔，翅膀展弦比高，隼
为掠食性动物，为求
高速、灵活，所以展弦比低。
滑翔机没有动力，
采取高展弦比以降低阻力是唯一的方法，
展弦比高的机翼一般
< br>翼弦都比较窄，雷诺数小，所以要仔细选择翼型，避免过早失速，另外高展弦比
代
表滚转的转动惯量大，所以也不要指望做出滚转的特技了。
7
、翼面
翼
平面即是主翼平面投影的形状，
当我们已假定飞机重量、
翼面负
载后，
主翼面
积即可算出，
展弦比亦已
大致决定，
这时就要确定主翼平面形状，
考虑的因素有
1
失速的特性、
2
应力
分布、
3
制作难易度、
4
美观，模型飞机的速度离音速还差
一大截，
不须考虑
空气压缩性，
也没有前后座视野的问题，
所以后掠翼不需考虑，
当然为美观或像真机除外，常见的平面形状及特性如下：
<
/p>
１矩形翼：﹝如图
4-1
﹞从左至右翼弦
都一样宽，练习机常用的形状，因为制作
简单，失速的特性是从中间开始失速，失速后容
易补救。