國外大學生航空模型挑戰賽經驗談
模型視點
作者：北航航模隊
從國內大學生科研類錦標賽的強者，成為美國SAE航空設計大賽高級組的冠軍，到贏得歐洲ACC2013大學生航模載重挑戰賽的季軍，北航航模隊曆時2年，逐步完成了從“國內一流”到“世界一流”的華麗蛻變。上期重點介紹了北航航模隊參加ACC2013的比賽經曆，本期將分享參加世界大學生航模載重比賽的一些經驗與見聞，並希望能與國內各高校航模隊一起探討，共同促進中國大學生科研類航空航天錦標賽的發展。
SAE航空設計大賽
美國東部時間2012年4月27日，北京航空航天大學代表隊參加了在美國亞特蘭大市舉辦的SAE國際航空設計大賽（SAE Aero Design Competition），與來自美國、加拿大、巴西、波蘭等國的大學生代表隊展開激烈角逐，最終獲得高級組冠軍。這次比賽經曆為之後的歐洲大學生航模載重挑戰賽積累了不少經驗。
SAE航空設計大賽高級組的比賽規則是：參賽模型飛機須搭載重物滑跑起飛，並在完成至少一個閉合航線後安全降落；且所選模型須是61級及以下的油動固定翼模型飛機；翼展不限，但起飛重量（模型與載重物之和）不得大於24.9kg。模型所載重物越重、起降滑跑距離越短者，飛行分數越高。參賽隊須自行設計測量起降距離的裝置，視其測量精度給予評分，並計入總成績。每輪飛行準備時間為5min。
根據這些規則，在設計時我們認為，應根據自身情況，合理分配空機重量與載重量的比值：若機體設計得過重，雖然結構強度足夠，但其載重量減少，飛行分數低；若機體設計得過輕，雖然能增加載重量，但其結構強度與所載重量不相匹配，得分依然不高，因此不僅得合理分配空機自重與載重物比例，還要使模型飛機的強度與所載重量相匹配，才有希望勝出。
最終我們的參賽機采用雙尾撐常規布局、三段式機翼、翼展5.4m、空機5.8kg，最大載重量24kg。其中機翼采用單梁式結構，左、右翼通過金屬接頭與中段連接。機翼的展弦比約為12，以兼顧誘導阻力和結構重量；根梢比接近2.5，以使升力分布接近橢圓分布。所選用的低雷諾數層流翼型，其彎度和厚度分別在5%～7%和11%～14%的範圍內，升阻比高、失速特性好、結構效率高。模型飛機的動力組則由2個發動機串聯組成，采用前拉後推的安裝形式來抵消二者的反扭矩。發動機、燃油和載重艙集中被安放在機身中、前端，不但可減輕結構重量，也可減小轉動慣量。設計讓模型飛機在起飛階段使用襟翼增升，在降落階段使用襟翼與主輪同步刹車，有效地縮短了起降距離。在設計起降測距裝置時，采用了光電開關測量輪上減輕孔的遮擋次數，從而通過簡單算法便可得到機輪轉數和起降距離。
由於準備時間和人力有限，還大量借鑒了國內載重比賽模型的設計。參賽機的外翼及尾撐部分都直接由3kg載重模型飛機改裝而來，起落架則直接采用了5kg載重模型飛機的設計。在試飛階段，我們使用“老鷹樹”記錄模型的高度、速度等飛行數據，與設計參數對比後反複進行氣動優化，最終達到了設計初衷。
ACC2013歐洲大學生
航模載重挑戰賽
有了SAE航空設計大賽的經驗，在準備ACC歐洲大學生航模載重挑戰賽時我們更有信心。不過這兩場競賽的要求不一樣。ACC2013的比賽規則是：模型飛機須安裝大賽指定電機且最大電流不得超過40A；不限定空重，但要求整機能被裝入1個1 000mm×400mm×400mm的箱子中。在這樣的限製下，模型飛機須得載運盡可能多的鋼板在60m內滑跑離地，然後完成一個封閉航線飛行並在長120m的指定區域內著陸。而且需要設計一套可在2min內（用時越短獎勵分數越高）快速裝載鋼板的係統。為保證飛行安全，模型飛機在每輪起飛前還須通過非常嚴酷的機翼靜力測試，即完成裝載後，用手抬兩端翼尖讓其離地超過5s。根據模擬計算，此時翼根彎矩約為平飛時的2.5倍。這些設計要求，雖然與國內科研類航空航天模型比賽的1kg載運項目類似，但由於模型飛機不允許使用動力減速器、限定了起降滑跑距離、要求重載著陸、須做靜力測試，因此對其結構設計要求更高，比賽難度大大增加。