航模技术发展史--F1B

yyz228 · 发表于 2008-1-15 21:32

6.1.2 橡筋动力模型飞机（F1B）
橡筋动力模型飞机是预先扭绕橡筋，然后释放其变形后的能量来带动螺旋桨旋转产生拉力，使模型升空飞行，是比赛留空时间的竞技项目。用橡筋作动力，价廉易得，单位重量所产生的功率比较大，它是实现动力飞行最早的“发动机”。早在1928年就有了这个项目的世界比赛。我国在1947年举行的全国航空模型比赛中就有橡筋模型的比赛。建国后1956年首次将三级橡筋模型飞机列入全国比赛项目，它的技术发展可以分为四个阶段。
6.1.2.1第一阶段（1956—1958年）
当时规则规定：总升力面积在17-19dm2之间，飞行重量不小于230g，橡筋包括润滑剂在内的重量不超过80g；必须由地面起飞，每次比赛飞行3轮，每轮飞行最大测定时间为180秒，以3轮飞行成绩之和为比赛成绩；比赛需在早晨或傍晚气流较静的情况下进行，平均风速不得超过每秒5m 。
模型的空气动力外形大部分采用矩形机翼和矩形水平尾翼，这样结构简单容易制作;机翼面积在14-14.5 dm2之间，水平尾翼面积在4.5-4.7 dm2左右，垂直尾翼面积约1.4 dm2; 机翼翼型大部分采用MVA301 75%，或Kynopep , 1957年以后采用B-13 ,水平尾翼翼型采用克拉克Y 7%的较多；螺旋桨直径500-520mm，螺距500mm左右，都是等距浆，橡筋束长度900-1000mm。
当时模型的结构比较简单，机翼都是采用松木条上下单组樑，桐木前后椽，桐木片翼肋和半翼肋，表面蒙棉纸涂刷涂布油，机身都采用构架式方框或菱形衍架结构，表面蒙纸。1956年上海陆钟毅首次使用了用桐木片卷成的圆形薄壳机身。这种机身当时在国际比赛上也很少，受到苏联专家马尔登诺夫的高度赞扬。水平尾翼、垂直尾翼也都是普通构架式。
因为规则要求地面起飞，起飞时必须有三点着地。为此，机身上装有一根长约350mm的松木条或竹条做的前起飞支架，起飞后由小橡筋条或弹簧收起来贴在机身下边，水平尾翼的两端有两片尾撬组成后两个着地支点。
机头由硬木镶嵌上铜套，自制压力轴承制成，用钢丝弯制成螺旋桨轴，螺旋桨叶用整块桐木削制而成。
由于模型从地面起飞，初速度等于0，虽然用80g橡筋，但很大能量消耗在模型的加速起飞上，爬升高度只有50-60m，留空时间2分45秒到3分15秒之间。
当时使用的是国产动力橡筋，有深褐色和浅褐色两种，规格有1×1、1×2、0.75×0.75和0.5×7等4种。因可以使用80g橡筋，对橡筋的质量要求不高，在训练和比赛中很少有“炸”断橡筋的现象。
这个时期具有代表性的是唐翊军1958年参加国际比赛的模型（图61B-1）。
在这个阶段，南京航空学院的唐翊军事我国著名的F1B运动员，他两次获得全国冠军，1958年参加国际比赛获得第5名，编著了《橡筋动力模型飞机设计》一书，为我国橡筋动力模型飞机的技术发展奠定了基础。

yyz228 · 发表于 2008-1-15 21:37

第一阶段插图

yyz228 · 发表于 2008-1-15 21:39

6.1.2.2 第二阶段（1959-1965年）
经过了几年的普及活动，全国各地的航模活动蓬勃发展，全国比赛和国际交往的增多，从第一届全国运动会开始陆续出现了许多新技术。竞赛规则把橡筋的重量减少到了50克，允许手上起飞，但是不准双脚立地。
为此，模型的空气动力外形有所改进：将机翼的上反角段由简单的矩形改变成梯形，翼弦从135mm减小到130mm，翼展从1200mm加长到1250mm左右。这样减小了诱导阻力，制作工艺也不算复杂。机翼面积增大到15-15.4dm2，水平尾翼相应减小到3.5-4 dm2，垂直尾翼面积减小到1-1.3 dm2，重心位置略有前移，距离机翼前缘70-75%弦长处。机翼翼型采用了性能较好的班尼狄克系列翼型和巴比契翼型，如B7406-f、B6405-b、b6356等。陕西、上海和湖北等队还使用了自己设计的翼型，使滑翔性能有所提高。
动力组合也有所改进：螺旋桨的直径和螺距增大，直径520-560mm，螺距600-700mm。浆叶面积略有减小，出现了压力中心在刚性轴线之前、根部很细、翼型很薄的空气动力变矩螺旋桨和用钢丝做浆根的螺旋桨，利用钢丝的弹性变形来达到气动变矩的效果。还有的把等距浆改为不等距螺旋桨和可调螺距桨。不等距螺旋桨其桨根的螺距540mm，逐渐向桨尖方向变大至700mm左右。这几种变距形式较能适应橡筋扭矩的变化，提高了螺旋桨的效率，增加了模型的爬升高度。由于橡筋的减少，橡筋束的长度缩短到了580-700mm。一运会时动力时间普遍在60秒左右，属缓爬升。为了提高抗风性，到1963年全国分区赛时，大部分队采用了中缓爬升的形式，动力时间在35至45秒之间。
这个阶段模型的结构和工艺有了较大的改进，橡筋重量的减少，使得有足够的重量来增加机翼的强度和刚性。出现了前后两组“工”字樑，“□”形樑。上海朱建民第一个使用了前椽至翼樑上下蒙板的箱形结构，陕西刘瑞融使用了穿梁结构和“〈”型前椽，改善了翼型上弧表面的流线性。还有的机翼前后梁之间加有斜翼肋，增加抗扭曲变形的刚性。各种机翼结构见图61B-2。
水平尾翼还是常规构架结构，为了减小变形在梁与后椽之间加上了斜翼肋。机身全部采用二层或三层桐木片卷成的圆筒形硬壳式机身，尾段是用四根或八根桐木条组成的四方或八角形的构架，表面蒙棉纸。广东、云南、湖北和甘肃队在一运会就采用了0.75mm的桐木和轻木片卷成的硬壳式圆锥尾管，但比较重。机翼翼台有钢丝翼台和流线型木质翼台两种。
到1963年全国分区赛上，机头结构基本上各队都采用了铝合金加工的全金属机头。机头装有微型轴承，提高了精度，使得拉力线不易变化，爬升轨迹比较稳定。这种机头见图61B-3。江苏王嘉謇使用了利用离心力改变螺旋桨直径的机头,见图61B-4。这种机头在模型刚起飞时橡筋的扭矩大，螺旋桨的转速高，离心力大，变大直径，随着橡筋的扭矩减小直径相应减小，这样可以提高橡筋和螺旋桨动力组的效率。
从1963年全国分区赛开始出现了控制水平尾翼安装角的机构。哈尔滨赛区中航队朱建民首次使用了控时器拉滑块控制水平尾翼安装角的机构（图61B-5）。这种机构一直沿用到1987年。哈尔滨赛区河北队孟星和南京赛区湖南队常启炎同时使用了利用橡筋轴向拉力的改变来控制水平尾翼安装角的机构（图61B-6）。南京赛区江苏王嘉謇使用了利用橡筋扭力的改变来控制水平尾翼安装角的机构（图61B-7）。
以上两种机构比较简单，不需要控时器，有部分运动员使用到八十年代初。控时水平尾翼安装角机构的出现，使模型放飞的最初阶段可以大角度用力上抛，此时水平尾翼成“推杆”状态，模型不会“拉翻”；当控制机构工作2秒钟左右或橡筋拉力、扭力减小后，水平尾翼安装角逐渐减小，模型盘旋上升。这样就比较充分的利用了橡筋的能量，增加了爬升高度，提高了飞行成绩。
橡筋重量的减少，使得教练员和运动员更加重视了橡筋的单位储能量。一运会前，1959年2月吉林王启振在上海天华橡胶厂进行了动力橡筋试制。经过四十多次试验，不断改进配方和工艺，生产了一批质量较高的黑色1×1动力橡筋。同年北京师志达、上海朱建民也在天华橡胶厂试制了质量较高的橡筋。一运会前吉林队发扬风格，拿出了一些试制的橡筋支援兄弟队。在比赛时有15个队使用了这种橡筋，成绩普遍提高。
从一运会开始，比赛就在全天进行。为了适应各种气象条件下的比赛，除了加强模型的强度和刚性以外，各队都加强了外场飞行训练，成绩较好的队都有三分之一的时间在外场训练。
在这个阶段，模型的飞行轨迹都是右上升、右滑翔。使用50克橡筋和控制水平尾翼安装角的程式,模型爬高可达75米左右,留空时间4分20秒至4分40秒。这和当时的世界成绩相比已经到了相当高的先进水平。使用50克橡筋典型的模型外形和结构见图61B-8 。
1965年9月全国第二届运动会航空模型比赛上，我国比世界比赛提前1年执行了“40克橡筋”的新规则。减少10克橡筋以后，在动力组合上又做了进一步的改进：橡筋束长度缩短到500毫米左右，使用1×2橡筋36－40条；螺旋桨直径和螺距变化不大，桨叶面积略有减小，动力时间缩短到30－40秒。
二运会比赛中，河北陶象乾使用了利用橡筋扭力和拉力机械变距的二种机头，较好地配合橡筋扭矩和拉力变化改变螺旋桨的螺距，提高了效率，增加了模型爬升高度。这两种机头见图61B-9、图61B-10 。1965年以前的机头都是橡筋放松后，机头里的弹簧将主轴向前移动，利用止动钉使螺旋桨停止转动桨叶收回，称为拉力止动机头。这种机头对橡筋长度要求高，长了，橡筋束放松后会留下“结”，而改变模型的重心位置；短了，止动拖泥带水。都会影响模型的正常飞行。
参加二运会橡筋模型比赛的22个队中有17个队的模型装有控制水平尾翼安装角的机构，大部分使用国产“红旗”牌照相机自拍器拉动滑块改变水平尾翼安装角的机构。虽然竞赛规则减少了10克橡筋，合理的动力组合与控制水平尾翼安装角的放飞程式配合，使得模型爬升高度仍可达到75－80米，留空时间达4分半左右。
二运会的成绩表明了我国的航空模型运动已经进入世界先进水平。但是，1966年“文化大革命”开始，一场浩劫迫使蓬勃发展的航模运动和其他体育项目一同停止了前进的脚步。
上海朱健民、云南佘瑞林、河北陶象乾和王嘉謇是当时具有代表性的优秀橡筋模型运动员。

yyz228 · 发表于 2008-1-15 21:54

第二阶段插图

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6.1.2.3 第三阶段（1976-1981年）
1978年恢复了全国比赛，基本上执行1965年规则。参照当时国际航联的规则，作了补充规定：比赛七轮，只能在预先布置好的起飞线上放飞，相邻队间隔7-10米。1979年以后又作了补充：每场比赛可用3架、4架模型，放飞时允许跳跃(图61B-11)。
1978年各省、市航模运动正在恢复中，参加F1B的28名选手中有半数是研究这个项目多年的老运动员，参赛的模型和放飞技术基本上还是二运会的模式，1979年四运会以后逐渐有了新的发展。
在空气动力外形方面，翼展逐年加大，到1981年全国优秀选手赛，大部分模型的翼展增加到1300－1350mm；机翼面积增大到15.5dm2,水平尾翼面积减小为3.4-3.5dm2；重心位置前移到距离前缘62％-67％之间。1980年全国比赛中，湖北鲍文彬第一个使用了全梯形1560mm大翼展和“T”形尾翼的模型，机翼上还使用了锯齿形三维扰流的形式。在1981年优秀选手赛上，部分运动员利用机翼“好扭” 改善了模型的爬升轨迹，使模型爬升过程中的第一转弯不掉高度，同时也改善了模型的“吃”气流性能。
垂直尾翼面积也逐年减小，到1981年垂直尾翼面积都小于1dm2，最小0.85dm2。垂直尾翼面积减小后，改善了模型在大风中的滑翔轨迹和“吃”气流性能。
随着科学技术的发展，模型制造工艺、材料和模型结构也不断更新。1978年后出现了502胶、914和CH31等树脂胶，使模型制作粘接工艺发生变化，缩短了粘接固化期，提高了粘接强度，克服了一贯沿用的硝基胶固化收缩应力大的缺点。从而增加了模型的强度，减小了变形的内应力。
从1978年上海朱健民第一个使用铝机身以后，这一阶段橡筋模型的机身发生了较大的变化。从此，木片卷的园机身逐渐淘汰。直径28－30mm、壁厚0.3mm、重40g的铝机身被大部分运动员所采用。1981年南京航空学院杨振球试制的用碳素纤维、桐木片、玻璃布和高温环氧胶等复合材料制成的机身，重量轻、径向强度大，被国家集训队采用后，又逐渐被各省队采用。
为了使螺旋桨更好地适应橡筋扭矩的变化充分发挥橡筋的能量，各队对机头又做了探索和改进。1978年全国比赛中，云南队使用了佘瑞林教练设计的利用橡筋扭力减小而使螺旋桨止动的扭力止动机头，（见图61B-12）。这种止动方式解决了以前各种拉力止动机头对橡筋束长度要求高的问题。贵州陈清华使用了可拆卸的机头；江西李仁达使用了无轴向移动的后止动机头。1979年世界锦标赛后，又从国外引进了有地面锁桨机构和扭力止动功能的机头。这种机头，可以绕好橡筋，锁上锁销，螺旋桨不转，等待选好气流后再打开锁销放飞。1980年吉林衣向明配合控制机构首次使用延迟开桨机头；黑龙江孙毅使用了放飞同时开桨的机头。
进口的轻木材料改变了机翼的结构。轻木翼肋，轻木翼尖，前缘至主梁上下弧蒙板的箱形结构被普遍采用。不但减轻了重量，而且增加了强度和刚性。还出现了全蒙板机翼。从四运会开始，逐渐将整体机翼分成左右两半，用钢丝销连接；机身也分成前机身和尾管两段，由铝套定位连接。模型整体结构的改进，使得三、四架模型装箱的体积大大减小，模型箱只有中等手提箱那样大，便于携带和运输，方便了训练和比赛。
在控制机构方面，大部分队使用了DF照相机的自拍器改装成控时器来拉滑块改变水平尾翼安装角，并且适时控制方向舵的偏转角度。从四运会开始部分队使用西德进口的Seelig F1B专用控时器，利用翻板跳舵机构控制水平尾翼安装角、方向舵和迫降。这种控制程式和F1C相似，瞬间改变舵量，对调整配合要求较高。
从1977年开始,国家体委每年都安排在上海天华橡胶厂生产动力橡筋，1977年生产的带有小白点的1×2黑色橡筋平均扭矩较大。
四运会上吉林衣向明根据国外经验开始使用绕橡筋专用的起飞架，改变了以前助手抓住模型绕橡筋的方式。这种在起飞架上绕橡筋的方法从1980年后全国各队都普遍采用（图61B-13）。
这个阶段模型的爬升高度在80-85m之间，留空时间4分45秒至5分15秒左右。典型的模型外形和结构见图61B-14。

yyz228 · 发表于 2008-1-15 22:11

第三阶段插图

yyz228 · 发表于 2008-1-15 22:13

6.1.2.4 第四阶段（1982-1987年）
从1982年全国比赛开始，我国第一次完全执行国际航联规则，各队每个项目可由三名运动员参加比赛，除计个人名次外，同时计单顶团体成绩。这样，各省、市新秀脱颖而出，促进了技术水平进一步提高。模型的空气动力外型继续向大翼展发展，1985年以前是以中翼展1420-1480mm为主，1.5m以上的大翼展只有少数人使用。实践证明了大翼展模型的优越性后，到1987年六运会几乎每个运动员都有二架适用于飞“静”气流的1560-1680mm大翼展模型。水平尾翼面积已逐渐减小到3dm2，尾力臂加长到870mm左右。陕西张文义1982年比赛首次使用了翼尖小翼，近几年有不少运动员采用。经理论和实践证明翼尖小翼能增加飞行速度并改善模型的安定性和滑翔性能。
碳素纤维材料在模型飞机上的应用，促进了制作工艺和结构的改进。碳纤松木条复合梁保证了大翼展机翼的强度，促进了大翼展的发展。西安飞机公司工艺所经过几年的研究为航模界研制成功了全碳纤管件，尤其是F1B前机身管重量轻、强度大，抗“炸”、耐油，虽然价格较高，但各队普遍采用。表面蒙上银色或白色热塑薄膜，美观、隔热，这种机身管解除了F1B运动员怕断橡筋“炸”坏机身的后顾之忧。
在控制机构方面，控时器拉滑块抬平尾、控方向舵的机构普遍采用的比较成熟。质轻高强度碳纤机身的采用，节省了足够的重量来增加了迫降控时器，随之火绳迫降线消失。
陕西张文义在1982年首次使用DF控时器控制机翼安装角的机构，引起了国内外同行的重视，后来有不少人采用。这种控制机翼安装角的机构，在起飞时为0度，3 至7秒钟后逐渐加大到3度滑翔位置，这比控平尾推杆爬升阻力小，有利于争取高度。这种机构见图61B-15。
1983年世界锦标赛后，学习了国外经验，在原有控制迫降的机构上加了在模型爬升时控制机翼“好扭”的功能，妥善地解决了爬升第一转弯掉高度的现象。
机头结构在这一阶段又有了新的发展，1982年张文义设计使用的机头在西安飞机公司批量生产供应了全国大部分队使用。
1984年国家队在欧洲锦标赛上，看到了苏联队使用的顺桨延迟开桨机械变矩机头的优越性，当年国家队在天津航校冬训时，以张文义为主在F1B组共同努力和北京车工苏师傅的配合下，按照苏联机头的模式试制成功了有自己特点的顺桨延迟开桨机械变矩机头。这种机头配合控时器延迟开桨机构，起飞时顺桨像投标枪一样出手，0.5秒以内飞机已抛高5－8米，螺旋桨随即回位旋转，随着橡筋扭矩下降而减小螺距，最大限度地争取爬升高度。这种机头在1985年中华杯赛首次使用成功。在1985年世界锦标赛上使用，引起了国外同行和苏联队的重视。1986年以后许多队都仿制使用成功。
1987年张文义又在原机头基础上加了棘轮机构，可以在绕好橡筋等气流的过程中用手拨桨增加橡筋扭矩，补充在等待气流过程中因橡筋疲劳而造成的扭矩下降。在1987年六运会预赛中江西队陆跃忠在普通机头上加了棘轮机构，决赛时起了作用，获得了冠军。
为了赶超世界先进水平，1983年国家体委科教司下达研制高能动力橡筋的课题，经过半年的试验，研制出新配方83－7＃动力橡筋。储能量达到并超过了美国和意大利产品，为国家队在1983年获得F1B单项团体冠军作出了贡献。这个课题于1983年底在广州通过国家体委鉴定。1987年被评为国家体委科技进步三等奖。
1983年天津陶象乾研制成功一种可溶于水的橡筋润滑剂。它可以保持飞机的清洁，对使用能反光的白色机身十分有利。润滑剂的主要成分是硅脂、黄油、蓖麻油，放在密封容器中加温至400oC溶解，再加上香料混合而成。
先进技术的综合应用，使得橡筋模型飞机的技术水平不断提高，到1987年模型的爬升高度可达95－100米，留空时间达5分30－40秒。典型的大翼展F1B模型见图61B-16。
技术水平的不断提高，更加突出了运动员素质的重要性。在1983、1987和1987年三届世界锦标赛国家队运动员的选拔过程中，增加了各种难度，对运动员的飞行成绩、模型制作工艺、装备、独立放飞技术、各种气候条件下选择气流的成功率、身体条件、理论知识和临场心理状态等各项素质进行了严格的考核。对提高训练和比赛成绩起到了重要的作用。
优秀运动员不畏艰辛孜孜不倦的努力，创造了高超的技术，使我国F1B项目的运动技术水平走在世界前列，为祖国争取了荣誉。
1982年以来，张文义同志不懈的追求、探索、研究、实践，与队友们共同获得了两次F1B单项团体世界冠军，一次F1团体世界冠军，为F1B项目的技术发展作出了贡献。
F1B 第一稿：1988- 李仁达
第二稿：2001-1-17 王维忠【字数6651 字符数（计空格7363）】