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2018

《微小飞机设计与制作渐进教程》一书即将出版

与《中国航空史话》同步,笔者的另一本著作《微小飞机设计与制作渐进教程》最近将于北京航空航天大学出版社出版。

该书共26章13万字,凝聚了笔者8年来在小飞机实践教学中的实践经验与素材,将为大学生设计、制作微小飞机提供理论与实践支撑。

微小飞机设计与制作渐进教程

沈海军 孙延波 李汉东著

内容简介

 本书由易到难、由简到繁、循序渐进,以专业的角度,旨在给读者们展示微小型飞机的设计、制作方法。初级篇为微小飞机,内容包括: 3D打印飞机制作、动力测试、升阻特性确定、性能分析、微小飞机设计制作技巧、电磁舵机选购与制作、超级电容自由飞飞机及卡通电动平板机的设计制作等。高级篇以某小型无人机为例,介绍了固定翼无人机的设计、制作与试飞等研发全过程。

本书既可作为高校航空专业学生设计微小飞机、无人机,开展微小飞机实践课程的教学用书,也可作为航模发烧友设计制作航模的教材;同时,也可作为相关无人机企业研发固定翼无人机的参考书。

  

为配合高等航空人才的培养,近年来,笔者在同济大学航空专业学生培养过程中实施了微小飞机实践的教学改革。本书就是基于微小飞机实践教学改革的成果而撰写的,目的在于将微小型飞机的设计、制作经验进行推广。

全书的内容安排如下:首先介绍了微小飞机实践对航空人才培养的现实意义、实施方法、不同的飞机设计与制作层次,以及微小飞机实践的目的。然后在“初级篇:微小飞机设计与制作”部分中,阐述了3D打印室内飞机制作、微小飞机动力测试、升力阻力确定、室内飞机性能分析、小飞机制作技巧、电磁舵机选购与制作、超级电容飞机及卡通电动平板机的设计制作等室内微小飞机设计与制作的内容。最后在“高级篇:‘同舟’号无人机研制”部分中,结合具体无人机型号,详细介绍了该固定翼无人机的设计、制作与试飞等研发的全过程。全书通篇由沈海军执笔,孙延波和李汉东承担了收集资料等工作。

本书的内容编写由简到繁,注重理论联系实际,通俗易懂;尽量减少飞机设计过程中的繁琐理论公式,突出了制作等动手实践环节的内容,可作为航空专业学生与航模发烧友设计微小飞机、无人机,开展微小飞机实践活动的教材,也可作供无人机从业人员研制固定翼无人机时参考。 

笔者

2018/9/4

   

 

一、背景   ……………………………………………………………………………………………….…………1

二、小飞机教学实践    ………………………………………………………………………………….2

三、飞机设计与制作的不同层次 ……………………………………………………………..………….3

四、小飞机实践的目的 ……………………………………………………………………………………3

初级篇:微小飞机设计与制作

第一章 3D打印微小飞机  ………………………………………………………62

一、简介    ………………………………………………………………………………………………..62

二、3D打印飞机原型机与设计方案    …………………………………………………….62

三、3D打印微小飞机的制作过程  …………………………………………………….64

四、3D打印技术在微小飞机设计、制作上的优势与不足  …………………65

第二章 微小飞机动力测定   ……………………………………………………………………………..67

一、7mm空心杯减速组/GWS4540桨动力系统  ……………………………………….67

二、发动机静拉力(或静推力)确定方法  ……………………………………………….67

三、微小发动机动拉力测试   …………………………………………………………………….69

第三章 升力与阻力的确定   ………………………………………………………………………...71

一、飞机升阻特性的几个基本概念  ………………………………………………………….71

二、美国NASA的Tunnel简易气动软件  ………………………………………………….71

三、某微小飞机的初步构型   ……………………………………………………….74

四、微小飞机升力、阻力的确定    ………………………………………………………….75

第四章 性能分析   …………………………………………………………………………………………78

一、飞机巡航迎角、最大平飞速度与重量控制   …………………………………….78

二、尾容量与机翼上反角   ………………………………………………………………..80

三、飞机的航时   ………………………………………………………………………………..80

第五章 微小飞机设计与制作技巧   ……………………………………………………………….81

一、常规布局飞机中各几何尺寸的大致比例 …………………………………………….81

二、微小飞机发动机的选择 ……………………………………………………………….81

三、微小飞机的选材  …………………………………..………………………………….83

四、常用胶水的使用  ………………………………………………………..……………………….83

五、发动机的下拉与右拉  ……………………………………………………..………………….84

六、机翼上反角  ………………………………………………………………………………….…….84

七、前拉、腰推、后推发动机安装的注意要点   …………………………………….84

八、重心的位置与确定方法    ………………………………………………………………….85

九、飞机试飞调试   ……………………………………………..…………………………………….85

第六章 电磁舵机选购与制作     ………………………………………………………………….86

一、电磁舵机原理与通电线圈的电磁场  ………………………………………………….86

二、自制电磁舵机线圈与磁铁的选取  …………………………………………………….87

三、电磁舵机选购与电磁舵机制作  ………………………………………………………….89

第七章 超级电容自由飞飞机的动力系统   ………………………………………………….92

一、超级电容自由飞动力系统简介  ………………………………………………………….92

二、超级电容与空心杯电机额定电压的匹配  ………………………………………….93

三、超级电容充电性能测试     ……………………………………………………………….94

四、电机-螺旋桨性能测试  …………………………………………………………………….95

五、超级电容放电与动力系统性能     ………………………….…………………….96

六、超级电容的有效储电量      ………………………………………………………….97

第八章 超级电容自由飞飞机的外形尺寸确定     ………………………………….98

一、飞机设计动力基准的确定    ……………………………………………………..….98

二、飞机主要部件尺寸比例的确定 ……………………………………………………….99

三、飞机元件及原材料的重量特性   ………………………………………………….100

四、飞机重量W总重与主机翼展L翼展之间的近似关系  ……………….102

五、飞机主要尺寸的确定    ……………………………………………………………….103

六、飞机修形与优化   ……..………………………………………………………………….103

第九章 超级电容自由飞飞机制作   ……………………………………………………….104

一、制作材料准备 ………… …………………………………………………………………….104

二、发动机的安装位置与拉力线  ……………………………………………………….104

三、飞机制作过程………………………………………………………………………………….105

四、试飞与调试……………….…………………………………………………………………….107

第十章 卡通生肖电动平板机设计与制作(上)……………………………………….109

一、卡通羊飞机CAD建模 ……………………………………………………………….110

二、建模过程……………………..………………………………………………………………….111

三、卡通羊飞机动力测试…………….……………………………………………………….111

四、卡通羊飞机升力和阻力的确定 …………………………………………………….112

第十一章 卡通生肖电动平板机设计与制作(下)…………………………….115

一、卡通羊飞机性能分析,……………………………………………………………………. 116

二、卡通羊飞机的制作  ……..……………………………………………………………….118

三、卡通羊飞机的试飞与调试……………………………………………………………….120

高级篇:“同舟”号无人机研制

第十二章 研究背景与小组成员分工   ………………………………………………….201

一、研究背景   …………………………….…………………………………………………….201

二、设计性能指标    ………………………………..……………………………………….201

三、组员与分工    …………………………………………………………………………….202

第十三章 构型设计   …………………………….………………………………………………….203

一、气动布局   ………………………………………………………………………………….203

二、机翼      ……………………………………………………..…………………………….203

三、尾翼   ……………………………………………………………..………………………….204

四、发动机位置    ………………………………………..………………………………….204

五、起落架形式    ……………………………………………..…………………………….205

六、构型设计确定    ……………………………………………….……………………….205

第十四章 主要参数估算   …………………………………………………….……………….206

一、起飞重量    ……………………………………………………………………………….206

二、翼载荷与功重比  ……………………………………………………………………….208

三、主要参数确定……………………………………………………………….………….210

第十五六章 动力系统设计与分析………………………………………………………….212

一、发动机简介和工作原理 ………………………………………………………….212

二、发动机的选择依据……………………………………………………..…………….213

三、发动机磨车……………………………………………………………………..……….214

四、发动机测试与选桨…………..……………………………………………………….215

第十六章“同舟”号的初步设计……………………………………………………….218

一、常规布局飞机的特点 ………………….………………………………………….218

二、机身外形初步设计 ………………………………………………………………….219

三、主翼面外形初步设计………………….…………………………………………….221

四、尾翼外形初步设计…………………………………………………………………….228

五、起落架位置的确定…………………………………………………………………….230

六、操纵系统的初步设计 ……………………………………………………………….230

第十七章 机身结构详细设计……………………..……………………………………….232

一、机身隔框的详细设计……………………..………………………………………….232

二、机身肋条的设计……………………………………..………………………………….233

三、机身盖板的设计………………………………..……………………………………….234

四、机身与机翼连接处的设计……………………..………………………………….234

五、机身与垂尾平尾连接处设计 ……………..…………………………………….235

六、机身与主起落架、后起落架连接处的设计…………….…………………….235

七、机身设备舱的设计 ……………………………….………………………………….236

八、机身结构的补强措施………………………………..……………………………….237

第十八章  机翼的详细设计…………………………….………………………………….238

一、中央翼详细设计……………………..……………….….…………………………….238

二、外翼详细设计………..………………………………………………………………….241

三、副翼、襟翼以及舵机安装位置的设计  ………….…….……………….242

第十九章  尾翼的详细设计……………………….……………….….………………….245

一、垂尾详细设计…………………………………………………….……….…………….245

二、平尾详细设计………..…………………….………………….………….…………….246

第二十章“同舟”号的CAD建模 ………….……….……….……………………….249

一、概述…………………………………………….…….……………….……….…………….249

二、翼面建模…………………………………….……………………...…………………….249

三、机身建模…………………………………………………………..….….……………….253

四、起落架建模…………………………………………………….….….………………….254

五、“同舟”号飞机装配 …………………………………………….………………….254

第二十一章 重量重心计算………………………………………………….………………….258

一、计算方法………………………………………………………………….……………….258

二、重量重心计算过程 ………………………………………………………………….259

第二十二章 气动建模与升阻特性分析 ………………………………..……………….262

一、气动建模理论基础…………………………………………………………………….262

二、气动外形的初步建模 ……………………………………………………………….262

三、升力特性估算 …………………………………………………………….…………….264

四、阻力特性估算……………………………………………………………….…………….268

五、升阻特性的AVL数值分析………………………………………………………….272

六、升阻特性的理论计算与AVL数值分析比较……………………………….274

第二十三章  飞行稳定性计算与分析    …………………………………….…………….275

一、设计目标  …………….…………………………………………………………..……….275

二、纵向静稳定性计算分析…………………………………………………..………….275

三、横、航向稳定性分析…………………………………………………………..………….278

四、稳定性的AVL数值分析…………………………………………………..………….284

第二十四章 飞行性能计算及分析  ……………………………………………..………….286

一、设计要求 ……………..…………….…………………………………………..………….286

二、起飞性能估算………………………………………..……………………..…………….286

三、着陆性能估算…………………………………………..…………………..…………….287

四、最大爬升角和最大上升率 …………………………………………..…………….288

五、航时 ………………………………………………………..………………………………….289

第二十五章 主要部件的强度校核  ……………………………………………..………….290

一、中央翼的强度校核……………………………………………………………..……….290

二、外翼的强度校核 ……………………………………………………………….……….296

三、平尾强度的校核………………………………………………………………………….300

四、机身强度的校核………………………………………….……………………………….301

五、主起落架强度校核……………………………………………………………………….302

六、机翼与机身连接件的强度校核…………………………………………..……….304

第二十六章“同舟”号的制作和试飞 …………..………………………………..……….305

一、飞机的制作  ……………………………………………………………………………….305

二、“同舟”号试飞…………………………………………………………………………….308

参考文献  ……………………………………………………………………….……………………..….309

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沈海军 沈海军

西北工大学士(1993年)、硕士(1997年)、博士(2000年)、南京航大博士后(2002年);现任同济大学航空力学学院教授,兰州交大兼职教授,博士生导师,飞行器工程所所长。 担任《The Open Mechanical Engineering Journal》杂志编委;教育部教学指导委员会成员。中国纳米艺术第一人,中国昆虫动力飞机第一人,中国三维打印飞机成功设计与试飞第一人。
主要研究方向:飞机设计、疲劳断裂、纳米力学等。已发表论文200余篇,其中,SCI检索30篇余篇、EI检索50余篇。承担或参加过国家863、国家自然基金、航空基金等多个项目。著有《纳米科技概论》、《新型碳纳米材料-碳富勒烯》、《近空间飞行器》、《纳米艺术概论》、《航空航天概论》、《千姿百态的纳米花》等著作。
联系方式:shj@tongji.edu.cn
上海市彰武路100号,同济大学航空与力学学院,200092

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