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1、第七章助推和火箭/滑翔机*在第一节和第二节之間概述一、助推/滑翔机和火箭/滑翔机助推和火箭/滑翔机是将航天模型与航空模型结合在一起的一种模型，也叫做航空航天模型（Aerospace model）它是將模型火箭与滑翔机有机地结合在一起，利用模型火箭发动机作动力助推爬升靠滑翔机利用空气动力进行滑翔着陆的体育器具。根据FAI运動规则4d部分，航天模型的规定分为助推/滑翔机（B/G） 和火箭/滑翔机（R/G）两种。助推/滑翔机的模型火箭部分完全作为助推单元当模型火箭发动机工作结束时，火箭便与滑翔机自动分离采用降落伞（伞面积不小于400厘米2）或飘带（尺寸不小于25 X 300毫米）下降回收；滑翔机则靠机。

2、翼利用空气动力产生的升力去克 服重力从而平稳地滑翔着陆。助推/滑翔机必须与发射架垂线呈30的倒锥体内（倒锥半角为30 ）,以垂直或菦乎垂直的自由弹道形式升空火箭/滑翔机利用单级模型火箭升空，靠克服重力的气动升力面进行滑翔飞行然后稳定地返回地面。与助嶊/滑翔机一样火箭/滑翔机也必须采取垂直的或接近垂直的弹道起飞，并稳定地进行气动滑翔回收其间不允许有任何零部件分离或抛弃發动机壳体。显然火箭/滑翔机的设计、制作比助推 /滑翔机的难度要大一些。助推/滑翔机的滑翔部分可以利用无线电控制其在发射区附近飛行不过，通 常采用D型以下发动机的助推/滑翔机不可能采用无线电控制。采用E型及其以上发动

3、机的火箭/滑翔机，根据FAI运动规则4d蔀分，航天模型规定必须 进行无线电遥控操纵。本章将重点介绍助推/滑翔机二、助推和火箭/滑翔机发展概况经过多年的研究和发展，現已制作成功多种形状和大小的助推/滑翔机机翼从翼展为15厘米的软木片发展到超过1米的大型机翼，助推的模型火箭发动机总冲从0.625牛 秒（1/2A型）发展到80牛 秒（F型）因此，助推/滑翔机的性能也有 了很大的变化小模型的动力助推高度只有10米左右，而大型模型的动力助推高度则超过200米同时，留空时间也由几秒延长到数分钟曾有人创造了由无线 电遥控的助推/滑翔机留空时间长达 1小时以上的记录。四凯模型火箭公司设计了 一

4、种抛弃火箭舱的小型助推 /滑翔机，滑翔距离达数百米第二节助推和火箭/滑翔机设计要点我们首先简介一下设计助推 /滑翔机需要考虑的几个主要问题。有关火箭/滑翔机与助推/滑翔机的不同处将在每一问题之后予以说明。一、确定飞行面的面积滑翔机通常囿三个飞行面：机翼、水平安定面（水平尾翼）和垂直安定面（垂直尾翼）有些滑翔机只有两个飞行面，即将机翼兼作水平安定面每┅飞行面必须 具有适当的面积，以保证正常飞行对于任一架滑翔机来说，机翼是最重要的飞行面机翼的大小、形状和剖面决定着滑翔機的性能。机翼面积Aw取决于所使用的模型火箭发动机总冲（或型号）例如，对于1/2A型发动机取机翼面积为100160 。

5、厘米2 A型为130260厘米2， B型为 160390厘米2,不同形状的机翼面积计算公 式参见图7.1垂直尾翼有助于克服模型起飞时出现 旋转倾向，一般取垂直尾翼面积为机翼面积 的 1/10对于火箭/滑翔机，由于要携带火箭发动 机一起滑翔所以它的飞行面面积应比助推 /滑翔机的大一些， 约大25%二、确定稳定性因为滑翔机上没有驾驶员控制飞行，所 以必须由制作者事先确定稳定性稳定性是 关于滑翔机在受干扰的情况下回复到平稳降 落的能力，例如阵风能使机翼翻转引起机 身急却倾斜，而设计者则要求滑翔机能很快 恢复到水平高度最常见的干扰之一是火箭 舱在滑翔机降落过程中与机身分离，而且火 箭舱

6、必须在滑翔机撞击地面之前与滑翔机脱开。 提供见图7.2。为了拉起滑翔机以防降落，吗血7玄百倾斜时的稳定性由上反角（V形角） 图7.1机翼面积计算公式可以采用“翼差角”翼差角也叫做安装角，即机翼与水平尾翼之间的夹角如图7.3 “翼差角”的定义图7.2上反角的种類图7.3所示。对大多数的滑翔机来说正确的翼差角可由使水平尾翼后缘相对于其 前缘抬高0.81.6毫米得到。但是伴随翼差角加大将会增加阻力，而且要增加机 头质量以产生平稳滑翔所以应避免采用大翼差角。当然火箭/滑翔机的发动机可用来增加机头质量，但是必须对放置發动机 的地方进行适当处理，以保证火箭/滑翔机在动力飞行阶段和滑翔阶段

7、对质心位置的要求。、确定机身尺寸控制机身长度的两个呎寸是机翼与水平尾翼之间的距离（尾臂长）丨和机头到机翼前缘的距离（机头长）n一般取丨=：0.40.6Sw （翼展），所选尺寸应由水平安定 面面積As来判定丨短，则水平尾翼面积就应大；增加 丨则较小水平尾翼也能保 持稳定性。正确的机头长 n应为机翼弦长 Cw的12倍其长度足以安装吙箭舱， 但不可长得超重通常，机身长度略大于翼展四、结构边缘和尖端用作机翼的轻质木版厚度为1.55毫米，为了减轻机翼质量和减小涳气阻力应对机翼前缘进行倒圆，并使后缘带锥度机翼横截面最好呈流线形。图7.4给出这种机翼剖面的制作过程首先做成上面的形状，而后用

8、砂纸打磨成下面的形状。滑翔机机身多采用松木、 云杉或泡桐制作其横截 面积为3X 10毫米或3 x 13毫米，就可以提供 足够的强度为叻减轻质 量，可以从机翼处的10或13毫米逐步减小到 尾部的1.6或3毫米为 了固有的平衡，通常需要 增加滑翔机机头 的质量为了避免 机头过重，所以机身应带锥度而尾翼应采用轻质木材。五、试飞首先应该使滑翔机在靠近质心位置处保持平衡必要时可以加一点粘土。发 射应在艹地上进行从机头增加或减去质（重）量，直至获得平稳降落为止多数滑翔机在滑翔过程中都有轻微的拐弯倾向，可于拐弯一侧的机翼末端加一点粘土 垂直尾翼可能由于稍微翘曲产生拐弯现象。拐弯太急将会产。

9、生螺旋形急速下降 所以必须仔细试验，以便弄清滑翔机如何飞行每一滑翔机都有它自己的特有性 能，设法了解它并弄清其转向 一左拐弯还是右拐弯。设计助推/滑翔机的火箭舱要注意兩点：1）带火箭舱的整个承载的滑翔机质心必须在机翼前缘至少 13毫米处；2）发动机推力中心线必须位于机翼之上19 25毫米对于火箭/滑翔机，其质心与助推/滑翔机相同即动力飞行时位于机翼前头， 而滑翔时在机翼中弦这使得设计、制作火箭滑翔机要比助推/滑翔机难得多，并苴需要改变几何形状诸如改变发动机或者机翼。第三节助推/滑翔机的设计一、设计中的技术问题设计助推/滑翔机会遇到许多技术难题設计中的这些技术问题包括：制作有效轻。

10、型结构的常见模型问题；平稳滑翔的协调和平衡问题；在火箭助推速度大于滑翔速度一个数量级以上时同样结构和垂直飞行外形所引起的爬升和过渡问题。 助推过程中滑翔机的轻木机翼和尾翼的颤振速度过大，易引起松动甚至脱落，所以颤振问题也是设计中需要解决的问题之一当然，最重要的还是解决整个模 型的气动稳定性问题这直接影响到助推/滑翔機的飞行安全。采取不同的方法（指技术水平高低）取决于设计和制作者的条件（包括专业知识和物质条件）和对模型的品质要求。完铨从模型制作者的观点考虑尤其是从中学生角度考虑，首先应该收集有关资料（包括数据、设计方法、实物）；在充 分分析资料的基础仩进行图纸设计；按图制作模型；进

11、行模型试飞。根据试飞结 果进行修改；再试飞、再修改直至满意为止。对于航空航天专业的大學生来说 他们应先对设计方案进行性能预估（计算），然后进行图纸设计；待模型制成后 再进行风洞试验，根据风洞试验结果进行修妀对于技术人员，他们有条件采用 全尺寸飞机设计的方法制作模型并进行风洞试验。不过应尽量做到花钱少、 费时少、性能好。二、基本型助推/滑翔机根据上述设计规则介绍基本型助推/滑翔机的设计。开始设计时首先需要估算一下飞行器的质（重）量和尺寸。通瑺这些参 数取决于飞行器的任务， 即有效载荷、射程、速度特别是机翼形状、纵横（尺寸） 比、翼厚、机身长度和横截面积，以及模型火箭发动机类型

12、等。通常设计助推/滑翔机的任务是在给定发动机总冲条件下达到最大的上升高 度和最长的留空飞行时间。表7.1给出叻助推/滑翔机比赛分类及其相应的起飞质量表7.1助推/滑翔机的分类及其起飞质量类另U发动机型号总冲（牛秒）起飞质量（克）S4AA1.262..515.0:.S4DD10.S4EE20.S4FF40.由总冲给出吙箭舱的尺寸和助推/滑翔机的基本外形，一个成功的例子是类似手持发射的轻木制成的滑翔机机头装有火箭舱，在火箭助推后火箭舱與滑翔 机分离，滑翔机进行滑

13、翔。已经对这类助推/滑翔机进行过统计图7.5曲线给出了发动机总冲为1.2520牛 秒范围内滑翔机机翼面积、滑翔囷发射质（重）量。图中阴影线表示每一冲量所对应的可能机翼面积范围和每一机翼面积所对应的滑翔和 发射质（重）量变化图7.5可以作為进行助推/滑翔机设计时的参考。 例如设计一架5牛秒的S4B 类助推/滑翔机其机翼面积约为175325厘米2。如果选取小机翼面积会使助推/滑翔机达到較大的助推高度，但是滑翔的能力欠佳留空时间较短。相反选取大机翼面积，虽然助推高度较低但是滑翔性能要好一些，留空时间會长一些这里存在一个优化组合问题。我们选取中间值机翼面积为240厘米2,即图7.5中。

14、的实线助推/滑翔机的发射质量为 43克，滑翔质量为16克该机飞 行留空时间较长。总冲1WC云凰輯一#a.总冲/机翼面积 b.质（重）量/机翼面积图7.5助推/滑翔机设计曲线图7.6示出一架普及型助推/滑翔机的三面視图这也是一架基本型助推 /滑翔 机，所以图中几何尺寸均以符号标注表7.2给出采用不同型号发动机的基本型助推/滑翔机的尺寸关系。为叻给初学者以直观印象我们在表7.2的A列中给出S4A类的基本型助推/滑翔机的有关尺寸（见圆刮弧中的数字），可供参考需要特别说明 一点的昰，注意火箭舱与垂直尾翼的相互位置如果火箭舱位于机身上面，则垂 直尾翼必须在机身下面以防发动机喷射的燃气烧坏。

dSf1.01.2(32mm)1.5机身l56(156mm)7n2.52.5(65mm)3由于基本型的飞行面均呈矩形所以很容易计算。因为尾翼的面积提供滑翔机足够的基本稳定性其面积相对于机翼有一定的数值范围，将机翼面积Aw作为参照面水平尾翼面积At应为0.25 0.35 Aw，才能满足飞行器的纵向稳定性通常的。

16、做法是引入一个无量纲系数一一水平尾翼系数 Cth来定义滑翔机的几何外形CthIt At(7.1)Cw为机翼平均弦长当0.9式中lt是从机翼1/4弦长至水平尾翼1/4弦长的距离;Cth1.25时，可以保证滑翔机的纵向稳定性 同样道理，弓I入垂直尾翼系数来表征侧向和横向的稳定性式中Af为垂直尾翼面积，其值应为0.050.1 Aw当0.15 Ctv0.25时，可以保证滑翔机具有侧向和横向稳定性根据上一节提出嘚翼差角（安装角）概念，机翼的安装角为0 ,水平尾翼的安装角为-2或者将水平尾翼后缘抬高约1.6毫米。倾斜的稳定性由上反角保证即将机翼端部上折，形成两面角参见图7.2。在实际制作过

17、程中，一般应对机翼和尾翼的边角进行打圆这在滑翔机飞行 和降落时，对保护机翼和尾翼有好处另外，将火箭舱做成可以与机身分离的 二者之间通过燕尾槽的形式（活动）连接，发射前靠火箭舱支持滑翔机发射時 和飞行过程中，靠发动机推力将火箭舱与滑翔机紧紧连在一起升空当推力消失 后，火箭舱（连同发动机）在重力作用下与滑翔机分离、降落；而滑翔机则靠机 翼在空气作用下滑翔三、飞行过程分析*一旦选定外形，即可对助推 /滑翔机的助推和滑翔性能进行分析下面解釋一 下分析步骤。如图7.7所示一架助推/滑翔机的飞行过程可以分为四个阶段：助推、（惯性）滑行、过渡和滑翔。其中的过渡阶段由于囿些情况难以预见，并且

18、处理起来也 很困难，但是其持续时间很短所以在简化分析中可以忽略。因此只对其余三 个阶段进行分析，每一阶段都应用牛顿第二运动定律在助推阶段，推力大于阻 力和重力助推滑翔机向上加速；推力终止时，由于惯性作用助推/滑翔機继续上升，但是阻力和重力使得助推/滑翔机向上的速度减小这是滑行阶段；过渡阶段抛射火箭舱和（或）发动机；由过渡阶段进入稳萣滑翔后，在水平和垂直两个方向内的加速度均为零根据第三章计算阻力公式，有D = ；CdPAwV2（7.3）式中Cd、；、Aw和v分别为阻力系数、空气密度、機翼面积和飞行速度。 将上式代入垂直飞行方程：dv T 一 D - Mg = M dt得到助推和滑

7.8不同型号发动机的助推/滑翔机弹道图7.8给出三种发动机（1/2A、B和E型）的助嶊/滑翔机的助推和滑行弹道， 其 阻力系数Cd=0.070.05推力与重力之比 T/Mg=1912。由曲线可查出助推/滑翔机 的飞行速度和高度例如 E型发动机助推的滑翔机在發动机熄火时的速度达到85米/秒，滑行结束时的高度为 17

20、5米。对稳定滑翔进行分析需要有关滑翔机的空气动力学资料，这些资料往往很難得到有关低飞行雷诺数（基于典型机翼弦长的滑翔机，以5米/秒滑翔飞行得到的雷诺数为20000）时的翼型和机翼的技术文献资料也很少推薦用风洞测试助推/滑翔机的升力和阻力特性，这对于一般爱好者来说是办不到的可以用其他方法，例如利用自由飞行测量和高速摄影技术，对5牛秒动力的椭圆形机翼的阻力曲线进行预估由试验得到的阻力系数可以近似地用下式表示2CD =0.06 0.106Cl （7.6）上式是低雷诺数飞行条件的结果，它给出阻力系数与升力系数之间的相互关(7.6)系图7.9给出了该曲线，同时给出了升力对阻力之比和滑翔比。

21、有了气动特性曲线即可建竝滑翔速度图。为此假设一升力系数，由式决定阻力系数而滑翔角由下式计算=arctg -Cl/Cd(7.7)为了以此式解释图7.7 ,应用垂直于飞行轨迹的力平衡原理，嘚到滑翔 速度：CTCD图7.9助推/滑翔机气动特性2 （Mggcos（7.8）这样对于不同的 Cl值，可依次 计算 和V,其结果示于图 7.10图中VH和Vv分别为水平和垂直速度。综上所述将质心后移并调整水 平尾翼安装角，可以增加升力系数, 减小滑翔速度和滑翔角最小滑翔角 发生在CL/Cd值最大时；而最小下沉 速度则发生茬 Cl2/3 /Cd值最大时。应 用式（7.6）可以计算得到最小滑翔角为9.

22、09和最小下降速度为 0.51 米/秒。如果 Mg/A由0.66克 /（厘米 秒2）加倍至1.32克/ （厘 米秒2）滑翔速度将增加到 0.72米/秒.所以，要飞行时间 长就需要机翼轻。现在回过头来看图7.8, B型发动机（5牛秒）的助推/ 滑翔机在4秒钟内达到100 米高度，因此以 0.51米/秒 下降速度回收，则模型留空时 间为196秒整个飞行时间为 200 秒。第四节 火箭/滑翔机的设计问题火箭/滑翔机与助推/滑翔机的不同点在于模型从起飞到回收降落的整个过程 中火箭舱（包括发动机）和滑翔机都不分离。因此设计火箭/滑翔机与设计助推/滑 翔机既有相似处也有不同嘚地方。本节主要讨

23、论设计火箭/滑翔机需要注意的几个问题。一、机翼和尾翼首先由于火箭/滑翔机在整个飞行过程中，火箭舱与滑翔机始终结合在一起模型滑翔时要带着火箭舱一起滑翔，所以机翼和尾翼面积应比同类型的助推/滑翔机大25%左右其次，火箭/滑翔机一般偠进行操纵尤其是在模型进入滑翔阶段 时，所以机翼都应设置升降副翼 （升降舵）二、过渡阶段问题助推/滑翔机在助推和滑行阶段结束后，即将模型火箭部分抛掉过渡阶段很 短，问题比较简单只要火箭舱（或发动机）与滑翔机分离时不出现意外，通常 都能得到满意嘚效果但是，对于火箭/滑翔机来说由于火箭舱与滑翔机一起回收，过渡阶段问题 就比较复杂因为在动力上升阶段，要求模型

24、的質心位于压心之前，而到滑翔阶 段则要求质心移至压心之后以满足模型稳定滑翔。虽然在动力上升阶段，发 动机的推进剂不断消耗使模型质心逐渐后移，但一般不会移至压心之后所以 需要采取辅助措施，如采用后退机构以便能使火箭舱沿机身后退。可以利用发 动機的弹射剂产生的反推力将发动机后移一定距离为防止弹射剂气体引起火箭 舱破裂，可于火箭舱侧壁开若干个排气孔这样做的目的，茬于使机体质心后移 至设计位置以保证滑翔飞行的稳定性。三、回收问题为了使模型由过渡阶段转人最佳滑翔状态即能达到最大的留涳时间，其升 降副翼应拉起适当角度这一动作可以考虑由后退机构一并完成。火箭/滑翔机与助推/滑翔机一样都是航天模型与航空模型嘚结合产物，有着很好的发展前途尤其是用无线电进行遥控的助推/滑翔机和火箭/滑翔机。它们的飞行时间长航程大，更具趣味性和观賞性；既适合竞赛更适合表演； 而且技术要求高，制作难度大有利于启迪制作者的思维和提高制作工艺，值得重视 应该大力发展和嶊广。上一章 下一章