设计制作一架KT板Mig-29像真模型飞机
设计制作一架KT板像真电动模型飞机
作者：戴瀚苏
2009-7-4 一、前言
用KT板制作模型飞机的优点是重量轻，成本低，工艺简单，耐摔且容易修复，因此KT板模型飞机受到了模友们的广泛青睐。目前，用KT板制作模型飞机呈现出两种趋势，其中主流趋势是仿照运动机（如Extra330，Su-26，Yak-54等）外形制作尺寸小（翼展800mm 以下），重量轻（起飞重量低于500g）的轻型特技模型飞机或室内超轻型特技飞机模型，如图1，这类模型飞机翼载轻，操纵效率高，动力强劲，因此可以很容易完成各种特技飞行动作，是初学者练习特技飞行的尚佳选择；然而最近另一种趋势正在悄然兴起，那就是仿照战斗机（如F-18、F-22、Su-27等）外形制作尺寸中小（翼展700mm到1000mm之间），重量较重（起飞重量大于500g）的像真模型飞机，如图2，这类模型飞机机翼展弦比和机翼面积较小，动力充沛，因此飞行速度快并且具有较强的机动能力，给喜爱像真模型飞机的朋友们带来了刺激和乐趣。
图1 KT板轻型特技模型飞机图2 KT板像真模型飞机
然而，KT板像真模型飞机在展现速度与激情的同时也存在着不少问题和难点，首先，KT板像真模型飞机的滑翔性能欠佳。按照真实战斗机缩比制作的模型飞机机翼的展弦比和面积很小，前缘后掠角很大，导致飞机低速性能恶化，着陆速度过快。其次，KT板像真模型飞机的重心位置是比较难解决的问题。出于制作简单的考虑，用KT板制作机翼时通常采用平板翼型，这种翼型很容易失速，加上细长前机身和边条翼的影响，导致整机气动中心变化范围较大并且难以确定，因此必须将重心调整到适当位置以保证充足的纵向稳定裕度。再次，KT板像真模型飞机的动力选择也比较讲究。为了提高速度和仿真度，KT板像真模型飞机通常采用中高转速推进式螺旋桨作为动力，又由于电机位置应尽量靠近重心，因此螺旋桨通常位于机身中部，这就要求螺旋桨的直径不能超过中机身的最大宽度，在螺旋桨直径受到限制的情况下，必须选择合适的桨距和电机转速来实现理想的推力。由此看来设计一架KT板像真模型飞机远比设计一架普通的KT板特技模型飞要难，但是执着的航模发烧友们从没有停止过对KT板像真模型飞机的探索和追求，笔者就是其中之一。在经历过几次失败之后，笔者终于试制出一款KT板Mig-29像真电动模型飞机，如图3。多次试飞证明该模型飞机具有良好的俯仰稳定性、操纵性和滑翔性能，甚至还能完成筋斗、横滚、大迎角飞行
等机动动作，是一款成功的KT板像真模型飞机。本文将整个设计、制作、试飞过程记录下来，并将成功的经验与大家分享。
图3 制作完成的KT板Mig-29像真电动模型飞机
二、构思
在设计之初慎重选择参照机型是决定成败的关键。制作KT板像真模型飞机总要以某种战斗机外形做为参考，但是世界上现有的战斗机种类繁多，外形迥异，并不是所有的型号都适合作为参照机型来临摹。通常，机翼展弦比较大，前缘后掠角较小，根稍比不太大的外形比较适合于速度相对很低的航模飞行。笔者将各国现役主力战斗机的相关数据统计如下：
表1 常见战斗机外形数据统计表 ① 机翼完全展开状态
为了更好的评估和比较各战斗机外形作为航模参照机型的潜力，笔者将这些外形参数简单地换算成一个综合指标，其定义如下：
10002
A I Λη=- 该指标反映了某种战斗机外形作为KT 板象征模型飞机参照机型的适合程度，数值越高越适合，图4展示了各种机型按照综合指标由高到低排列的情况。虽然该公式没有严格理论依据，但在初步设计的时候可以提供必要的参考。
图4 各种机型综合指标对比
通过对比，同时也处于个人喜好，笔者选择了Mig-29作为参照机型。确定参照机型以后，笔者又从网上下载了Mig-29战斗机的详细图纸和精美图片（如图5），为设计和制作做好准备。
图5 Mig-29战斗机详细图纸和精美图片
接下来是确定模型飞机的起飞重量、翼展和推重比。受到KT板强度、刚度和单张KT 展板尺寸限制（KT展板尺寸大约为900mm×12000mm），模型飞机的起飞重量不宜过重，初步定为500～600g，尺寸也不宜过大，初步确定翼展700～800mm。根据经验初步拟定最大推力600～700g，推重比介于1.0和1.4之间。
三、选材
1．KT板：选用废弃的KT展板作为主要材料，优点是价格低廉，原料充足；缺点是表面喷绘层比较重，不过撕去喷绘层是很容易的事，而且如果个别部件需要加强，那么保留喷绘层的KT板可以提供不错的强度和刚度。
2．螺旋桨：前面提到，由于螺旋桨直径受到中机身宽度的限制，因此动力系统的选择应该从这一限制出发寻找最优方案。根据模型飞机翼展和比例尺可以估算出中机身宽度，为了保证前后机身的连接强度，螺旋桨直径的选择应当留有余量，初步估计螺旋桨直径大约为8英寸（203.2mm）。8英寸螺旋桨可以有不同的桨距，市面上最常见的有8060和8040两种，桨距的最终确定和电机的选取有关。需要注意的是，不同的驱动方式应该采用不同类型的螺旋桨，采用电机直接驱动螺旋桨的动力方案转速较高，应该选择高速螺旋桨；而采用电机通过减速器驱动螺旋桨的动力方案转速较低，应该选择低速螺旋桨，图6和图7分别展示了两
种不同类型螺旋桨外形上的差异。
3．电机：选定螺旋桨直径以后，再结合最大推力就可以基本确定电机型号。在选购电
机时，负责的商家会将各种型号电机的测试结果列出以供买家参考，测试参数一般包括被测电机KV值，测试电压（或锂电池串联片数），螺旋桨型号，最大电流，最大转速和最大拉或推力。KV值是选择电机的最关键参数，它直接影响电机最大转速和最大电流，通常尺寸相同电机KV值高的电机最大转速高，最大推力大，但是最大电流也大，而且耗电量和发热量也随之上升，工作效率（一般指推力与功率之比）下降，所以KV值的选择必须充分权衡最大转速和耗电量等因素。由于KT板像真模型飞机对飞行速度有较高要求，因此螺旋桨转速不宜过低，因为在静态推力一定的情况下，如果转速较低，其推力会随着来流速度的增加而迅速下降，从而只能达到较低的临界（最大）平飞速度；如果转速较高，则可以使推力随速度增长下降缓慢，从而获得较高的飞行速度。为了形象地说明转速随飞行速度变化关系，图8给出了螺旋桨推力随飞行速度变化的理论曲线，曲线是根据著名的螺旋桨推力计算公式——
图8 螺旋桨推力-飞行速度理论曲线
图中黑色曲线表示模型飞机平飞阻力，它随着速度增长而非线性增长。A、B、C、D四点分别是不同型号螺旋桨在特定转速下的推力-飞行速度曲线和平飞阻力曲线的交点，它们的横坐标代表了选用该型螺旋桨所能达到的临界（最大）平飞速度。从图中不难看出在静态推力相等的情况下，螺旋桨转速对临界平飞速度所起到的决定性作用。在权了衡最大转速、电流的诸多因素后，电机KV值被锁定在1300～1500rpm/v范围内。经过对市场上同类产品性能、价格的对比，笔者最终选择新西达A2212外传子无刷电机（如图5），KV值1400rpm/v，该
表2 新西达A2212外传子无刷电机测试数据
根据测试数据，使用新西达A2212外传子无刷电机（KV1400）直接驱动GWS8040HD螺旋
桨（如图9）是不错的选择，既达到了静推力的要求又具备较高的转速，而且电流相对来说很低。
图9 新西达A2212外传子无刷电机（KV1400）和GWS8040HD螺旋桨
3．电池：电池的选择主要根据三个重要参数，分别是电压（或者锂电池串联片数）、容量和放电倍率。因为测试电压为11v，所以锂池电压理所应当与之接近，3片锂电池串联电压11.1v，是比较合适的选择。事实上，很多商家在做动力系统测试时，为了消除不同品牌电池质量差异造成的误差，通常采用稳压电源而非锂电池作为供电设备，因此测试数据也是在电压恒定条件下得到的结果，这显然与真实情况下锂电池持续放电过程中电压不断下降有一定差距，所以在参考测试数据时应当持谨慎态度。好在普通3片串联锂电池充满电时电压一般为12.6v，相比测试电压有一定裕量，所以实际情况中达到甚至超过测试数据中的推力值还是有可能的。电池容量主要影响飞机起飞重量、放电时间和最大放电电流，1300mAh 的锂电池大约105g，比较适合起飞重量为500g的KT板像真模型飞机。放电倍率主要根据最大电流来选取，如果放电倍率选择10C，那么最大放电电流为10×1300mA=13A，而电机在11v电压下最大电流为12.6A，显然，电池工作在最大油门时会比较吃力，而且很有可能因为过放电导致电池损坏。目前市场上高放电倍率的锂电池屡见不鲜，15C，20C放电倍率锂电池已经非常普及并且价格适中，因此从电力充沛和电池安全的角度考虑，选择电池放电倍率为20C。
4．调速器：调速器选用20A或25A无刷电子调速器即可，由于笔者有现成的60A无刷电子调速器，因此没有再花钱另购，但却不得不为此付出了增重20g的代价。
5．接收机：一般来说有效距离、抗干扰能力和兼容性是衡量接收机的重要指标。笔者选择了某知名厂商生产的二次变频锁相环6通道接收机，该接收机的最大特点是可以搜索并锁定72MHz频段内的任何发射频率而无需使用接收机晶体，同时它也具备普通二次变频接收机灵敏度高，抗干扰能力强和作用距离远的优点，并且重量仅有8.6g。
6．舵机：舵机的数量需要根据舵面控制方式确定，出于制作简单和节省重量的考虑，KT板像真模型飞机一般采用副翼+升降舵的舵面控制方案，不设方向舵，因此只需3～4颗微型舵机，其中两颗用于副翼控制，另外一至两颗用于升降舵控制。初步选定某知名厂商生产的9克微型舵机，该款舵机在4.8v电压下具备1.6Kg*cm扭力和60°/0.12s转速，其性能对于操纵面并不大的KT板像真模型飞机来说绰绰有余。
7．碳管：用一根外径5mm的碳管增加机翼的展向弯曲刚度。除了航模专用的碳管以外，碳纤鱼竿也是不错的选择，由于其价格相对低廉，因此往往受到学生模友们的青睐，只不过碳纤鱼竿轻微的锥度会给制作带来一点点麻烦。
8．粘接剂：速干白乳胶或其他泡沫胶均可，建议所选粘接剂黏度适中，易流性好。
9．纤维胶布、透明胶带和尼龙搭扣：用纤维胶布粘帖在翼面前缘加强的办法简单实用，可以减轻擦挂碰撞对翼面的损伤。在机身底部粘附透明胶带可提高飞机着陆时的抗冲击能力，并可以改善表面光洁度。另外透明胶带在连接机体和舵面，固定设备连接线方面也起到
重要作用。尼龙搭扣主要用于固定电池，因此其宽度应与电池高度相当，其长度应是电池长度的1.5～2倍，这样方便调整重心。
10．钢丝和舵脚：用作连杆的钢丝直径一般为1.2mm，舵脚选用硬质塑料制成的快速安装舵脚。在选择舵脚时，除了考察舵脚强度和刚度以外，还应该注意舵脚的孔径和钢丝的粗细是否匹配，如果舵脚孔和钢丝配合间隙过大，则会使舵面松浮量成倍放大，从而导致操纵精度下降，甚至影响飞机的稳定性。另外选择多孔类型的舵脚有利于灵活调整舵量。
四、设计
整个设计过成完全是借助Solidworks 2007版完成的，这款CAD软件功能齐全、实用，操作简单、直观，非常适合喜爱自己设计模型飞机的朋友们将灵感和创意快速转化为三维效果图。使用CAD软件设计的另一个好处是绘图精度极高，因此设计者可以不必为手工绘图误差烦恼，从而可以尽情享受理想和完美的快感！
1．根据图纸描绘缩比样板并适当改进外形
首先需要在图纸中的俯视图和侧视图上进行测绘，即选取机身不同站位处的轮廓点，测量这些点的坐标，然后再根据坐标将这些点一一复制到CAD软件的平面草图中，并用样条曲线连接，形成一个封闭的轮廓草图，最后根据设计尺寸缩放比例并拉伸草图得到缩比样板（如图10）。从图中可以看出缩比样板并不适合直接作为模型飞机的外形，局部外形需要做适当修改，修改主要集中在：（1）加宽机头，增加机头强度并留出足够的空间放置电池；（2）略微减小机翼前缘后掠角，增大展长和机翼面积，达到改善滑翔性能的目的；（3）加宽中机身，以包容螺旋桨并留出足够宽度连接和加强前后机身；（4）为了解决水平尾翼与机身的连接问题和提高升降舵操纵效率，将暴露在螺旋桨滑流中的发动机尾喷口部分和同侧的水平尾翼一并作为全动平尾（后来的试飞证明即使是这样，升降舵操纵效率仍然欠佳，不得已将发动机尾喷口中间部分连通，也作为升降舵的一部分，由于这部分升降舵完全暴露在螺旋桨滑流中，因此改进后的升降舵操纵效率大大提升）；（5）在不改变水平尾翼前缘后掠角的情况下，略微增大平尾的展长和面积，从而增加平尾容量，增强俯仰稳定性；（6）曲率极小的曲线用直线代替，直线之间用中小半径圆弧过度，这样可以大大减小制作难度。修改后的外形与缩比样板对比如图11，后来的飞行试验证明，以上这些改进措施不但改善了模型飞机的飞行性能，而且并不影响模型逼真度。
图10 缩比样板图11 实际外形与缩比样板对比
2．设计机身结构
设计机身结构应遵循以下原则：
（1）尽可能的利用自身外形保证模型飞机的整体强度和刚度，从而避免使用其他加强件带来的重量增加。例如，因为机头细长而且电池重量全部压在机头，所以机头和中机身连接处的强度和刚度本应该是整架飞机的软肋，笔者曾考虑用桐木条或者碳管来加强这一部位，但是后来笔者创造性的将进气道内侧板延伸至座舱后方，这样一来不仅提高了机头和中机身连接处的强度和刚度，而且形成了外形类似F-22的菱形进气口，给人以时髦和酷炫的视觉冲击（如图12）。另外，中机身和后机身的连接也没有采取任何专门的加强措施，只是简单的将保留喷绘层的KT板用于连接中后机身（如图13），实践证明了这种方法的有效性。
图12 进气口外形图13 中、后机身连接（2）在将整体外形分割成零部件时应当考虑加工的方便，零件外形应当尽量简单。图14、15、16、17分别是后机身、水平尾翼、发动机外侧板（连同垂尾）和机腹横板的零件外形图。
图14 后机身图15 水平尾翼（左侧）
图16 发动机外侧板（与垂尾连接）图17 机腹横板
（3）在设计零件连接处的突台和定位槽时，不仅要保证零件的相互连接稳固可靠，而
且要避免由于定位槽密集或分布不合理而导致的应力集中。事实上突台和定位槽最主要作用是连接定位，因此并不需要太大尺寸，同时，稀疏的布置定位槽也有助于减轻应力集中造成的危害。图18显示了前机身上定位槽的分布情况。
（4）在整体结构设计完成之后，应当注意细节的处理。例如，在给螺旋桨开槽时，考虑到螺旋桨高速旋转时产生形变和更换螺旋桨的方便，应该在螺旋桨桨盘两侧留出足够空间，如图18。为了安装舵机和碳管的方便，应该在机身上预留安装孔位，如图20。升降舵铰链附近与垂尾相交处切出扇形开口（如图21），以保证升降舵偏转自如。
图18 前机身定位槽的分布 图19 螺旋桨槽
图20 碳管、舵机安装孔 图21 升降舵根部扇形开口
3． 其他零部件建模
根据实物外形，将无刷电子调速器，电池，舵机，接收机，碳管，电机以及螺旋桨等零部件一一建模，目的是为了准确反映各零部件的尺寸和重量特征，为实现虚拟装配做好准备。图22、23展示的分别是接收机、无刷电机（含螺旋桨和安装座）的三维模型。
图22 接收机模型 图23无刷电机模型（含螺旋桨和安装座）
4． 虚拟装配及重心调整
虚拟装配就是给不同的零件添加约束，使它们的相对位置关系固定。为了调整重心的方
便，锂电池沿机身纵向的位移通常不加约束。正如前文所说，重心位置的确定并不是件容易的事情，笔者首先根据经验将重心设计在距机翼平均气动弦前缘20%弦长处，虽然跟普通平直机翼、具有较长尾力臂的练习机或特技机相比，这样的重心位置已经靠前了不少，但是后来的首飞证明对于这架KT板Mig-29像真模型飞机来说，这个重心位置仍然不能保证理想的纵向稳定性。后来笔者参考了国外KT板像真电动模型飞机的制作经验，发现了一种简单有效的重心确定方法，即参考机翼2/5弦线与机身中轴线的交点，如图24，多次试飞证明这种方法应用于这架KT板Mig-29像真模型飞机是非常适合的。图25是虚拟装配完毕的效果图，其中部分零件做了透明化处理。
图24 重心位置（红圆圈标记处）
图25 虚拟装配完成效果图
五、制作
制作过程分为以下步骤：
1．切割零件外形
切割前先将零件图纸按1:1的比例打印出来，绝大部分零件图纸都可以用A4纸打印，个别尺寸较大零件须用A3和A2图纸打印，并且打印后还要进行拼接，如图26、27、28。
图26 用不同纸张打印的零件图纸
图27 拼接前机身图纸
图28 拼接机头图纸
将打印、拼接好的图纸用普通胶水或双面胶粘在KT展板上，然后按照图纸切割零件，如图29、30。这里顺便介绍一下笔者用美工刀切割KT板的心得。首先“欲善工其事，必先利其器”，刀片必须光洁锋利，由于废弃的KT展板中含胶量较重，因此刀面上容易附着胶水而导致切割不顺畅，因此应当经常擦拭刀面和更换刀尖。其次，切割手法也非常重要，切割时使刀刃和KT板形成一定斜角会使切割变得更加顺畅，切口也更加平整。注意，切割突台和
定位槽时应换用小而薄的刀片，这样可以保证定位精度。
图29 按照1:1图纸切割零件
图30 切割完成的前机身
2．粘接零件
为了提高零件的粘接强度，粘接前应当撕去零件胶结处表面的薄膜，如图31。确定各零件之间配合无误后便可以开始涂胶粘接，使用速干白乳胶粘接需要大约2～3小时固化，而且速干白乳胶粘性低，易流性好，因此在粘接过程中可以从容的调整和固定粘接部位。在
粘接处适当的施加压力有助于提高粘接强度，如图32。
图31 撕去表面薄膜
图32 粘接过程中施加压力
3．安装舵面和舵机
安装舵面前，先要将各舵面与机体连接的一侧边缘削成45°，然后再用透明胶带将舵面和机体粘接起来，使舵面能够灵活自如的上下偏转，如图33。注意，舵面上下表面都应该
用透明胶带与机体连接，防止因舵面受到气动载荷过大而脱落。
图33 粘接舵面完成
副翼舵机先用双面胶粘在机翼上，再在接触面周围涂抹速干白乳胶加固，如图34。为
了满足仿真度的要求，两侧的全动平尾分别由两个舵机驱动，并且两侧的舵机最好是对称安
装（从外面看上去只露出了舵机的摇臂），因此必须协调两颗舵机的转向问题。对于通道多、
功能丰富的高级遥控器来说，设置舵机联动和差动是一件很容易的事情，但是对于笔者手里
的Futaba T4VF入门遥控器来说，只能另想办法。这里用两种方案可以选择，一是够买“V”尾混控器，将全动平尾设置为同时可以联动和差动的舵面；二是改造舵机内部连线，使其中一个升降舵机与另一个转向相反实现两侧全动平尾联动。笔者为了消除60A电调导致的增重，决定不再购买“V”尾混控器而采用第二种方案，即拆开舵机修改内部连线，如图35、36。改造方法很简单，只需将连接驱动电机两极的导线互换，同时将连接电位器最外侧两引脚的导线互换即可。改造成功后就可以将舵机固定在机体上了，由于事先在机体上打好了定位孔，因此安装简便且牢固，仅用双面胶粘接即可，如图37。
图34 副翼舵机和机翼粘接
图35 拆卸舵机
图36 改造舵机
图37 升降舵舵机和机体粘接
舵脚和舵面之间用热熔胶固定，待热熔胶完全固化以后，即可根据舵脚和摇臂之间的距离制作连杆。为了能够微调舵面中立位置，通常在连杆中部做一个“V”形折弯（如图38），折弯尺寸不宜过大，否则会严重削弱连杆拉压刚度。若舵脚孔和钢丝之间间隙过大，可以用
外径1.5mm的热缩管加粗钢丝，填补空隙。
图38 制作连杆
制作延长线和“Y”形线是必不可少的一步（如图39），在焊接完成以后，用热熔胶涂敷
焊点达到绝缘效果，并用热缩管将插针和舵机插槽收紧，防止脱落（如图40）。
图39 焊接延长线插头
图40 热缩管用于紧固插槽和插针
4．安装其他设备
由于机身上已经开好了安装电机定位槽，因此电机的安装十分简单，只需将电机安装座嵌入预定位置，用热熔胶固定即可。待热熔胶完全固化以后，再将螺旋桨通过桨保护器安装在电机轴前端，如图41。电子调速器和电池统一安装在机体一侧，接收机位于另一侧，如
图42。
图41 电机的安装
图42 电子调速器和电池的安装
六、试飞
首飞是最让人惊心动魄的体验，在做好一切准备工作之后，一个人站在静静的操场上，手里擎着自己精心打造的模型飞机，仰望着广阔而充满未知的天空，即使有过无数次首飞的经验，笔者心中还是不免打起鼓来。加大油门……助跑……脱手……在模型飞机出手的那一
瞬间（如图43），笔者感觉自己的身体也随之飘了起来。
图43 起飞瞬间
首飞是在大约3级风中进行的，虽然整个飞行过程在风力影响下变得异常艰难，但是总
算安全着陆。首飞不仅暴露出了飞机重心靠后，俯仰稳定性差的问题，同时也反映出舵面操
纵效率低，平飞自动左滚等一些设计缺陷和制造误差。随即笔者针对这些问题进行了一系列
改进（如图44）：（1）将电池安装位置前移，调整中心至参考机翼2/5弦线与机身中轴线相
交出；（2）增大升降舵面积并使其位于螺旋桨滑流之中，至此，原来的两块全动平尾已经连成一体；（3）调整左右副翼中立位置以消除自动左滚，并且调整舵脚孔位以增大副翼最大偏转角度。此后，笔者又进行了多次试验飞行，结果表明经过调整以后，模型飞机具有良好的俯仰稳定性、操纵性和较快的平速度，而且还能完成筋斗、横滚、大迎角飞行等机动动作（如图45）。
图44 改进后的KT板Mig-29像真模型飞机
图45 高速转弯
七、改进
经过不同操纵手的试飞以后，笔者和操纵手们觉得这款KT板Mig-29像真模型飞机仍有较大改进空间，主要有以下几个方面：
1．增加方向舵。增加方向舵以后，该模型飞机可能具备做慢滚、垂直悬停（俗称吊机）等机动动作的能力，而用一颗舵机同时控制两个方向舵的方案既可行，改动量又小，并且由