三年之约——“Aleph0”电动滑翔机的设计制作

锴2510

17年，我高一，开始玩滑翔机。上瘾到深处就想自己设计制作，无奈当时水平有限，而且高二开始，因为学业压力就搁置了航模。三年后，上了大学，稍闲下来，开始潜水学习（老外的博客和youlan的帖子很有帮助），慢慢鼓捣，21年11-12月在软件里演算，22年3-5月制作试飞，花了小半年时间磨出来了。制作过程里的一些碎碎念和心理活动，我写在了自己的博客里：看这儿

这是我做的第二架滑翔机（上一架是Guppy，机身做着贼烦），因此设计时较为保守，重点在漂浮和盘旋，把穿透性之类的任务需求放在第二位。木机比起复材热气流机而言，一般会沉一些，翼型的厚度也大些，这二者的合理匹配在滑翔时是很不错的；但传统的厚翼型（8%左右）阻力较大。我想挑战一下，将飞机做得轻一些，同时尝试synerj之类的在木机上用得少的薄翼型，看看能不能做出来、飞得怎么样。

为什么叫Aleph0呢？对范数有所耳闻的朋友可能会会心一笑。不过我这么取名主要是因为这个字母写出来比较好看，又是希伯来语系中的首个字母，也符合“自己设计的第一架飞机”这个名字。

基本参数如下：

- 翼展     1.8m

- 翼弦     180mm-170mm-120mm

- 翼型     synerj80-synerj65（开源，RCG上可以下载）

- 翼面积 28.1dm^2

- 尾容量 ~0.41

- 机身长 ~950mm

- 起飞重量   540-700g

- 翼载荷@625g     22.35g/dm^2

- 动力：2212 1400KV+8x6/10x6/12x8折叠桨（待测试）@3S锂电

（更新，试飞帖看这儿）

做出来大概长这样：

（浏览器版本太高了，只能传这么大的了。我再研究一下怎么传大图片）

Xflr5里大概长这样：

（上面是实际做出来的样子，下面这张是把翼展加到2m的尝试）

经过几（十）次尝试，将只考虑机翼+尾翼的电子风洞结果的升阻比优化到了20出头（平飞，3度迎角），这比起AG24-25-26的16-17的升阻比好一些。当然，算出来的结果毕竟理想且有偏差，加上机身后会差一些。

而且，单纯讲升阻比没有意义。升阻比需要和飞机的重量匹配，如果飞机更沉一些，升阻比会上升许多，这也是配重的原理。在盘旋的时候，相当于飞机加了配重，升阻比也一样会增加，但由于侧滑的缘故，会有些损失。

（最初的设计和做出来的样子的对比，包含不同飞行模式下的理论结果）

在电子风洞（xflr5 v6.53）里尝试各种各样的设计很有意思，跟着作者的教程（B站有人搬运过）学到了不少东西，发现了一些之前没有直观感觉的事情，例如翼型弯度对飞机性能的影响程度。

另外，有朋友知道xflr5里，怎么样才能解决分析时超出飞行包线和无法interpolate的问题吗？无论分析全机还是分析机翼都是这样。请不吝赐教。

尾翼的展长比弦长影响更大。一开始的设计，平尾展长360mm；制作时，擅作主张地加到了420mm，再一算，发现升阻比降得很少而俯仰稳定性好了许多，很划算。垂尾也类似，根据Martin Simons的说法，大展弦比尾翼的操纵效率更高。不过垂尾在制作时做得太大了，以至于首飞时方向稳定性过强，很难操纵，切了三分之一垂尾才解决。

（不同尾翼面积的对比）

细节上的一些想法比较有趣。重要的结构连接处用了3D打印件，包括翼根、襟翼中段、全动平尾翼台、垂尾抱箍等，大大方便了制作；虽然翼根的打印件略超重，但结构强度足够。机身的结构比较独特，分体翼台、吊舱式的机头、尾管承力，有几分像人力飞机。当然，这些地方也给自己挖了一堆坑，多花了一些时间解决，也有一些不得不放弃，比如在尾管里塞配重的想法，因为会和螺栓、舵机线打架，无法实现，而过小的机身也难以挤出更多的空间。

机翼的图通过Profili+CAD画出，因为不会在建模软件里建骨架的模型，所以机翼的平面形状很憨。机身的图是通过现学CATIA画出来的。曲面功能很强大，就是和报错斗智斗勇很费时。

下面的帖子里，我慢慢贴制作过程。。容我先研究一下怎么传大图片。

闪电飞猫

关了俩月，能耐见涨

weilung

jinding86

尾翼不能一味加大，尾容量有个合适区间，大了动稳定性反而可能不好。

锴2510

jinding86 发表于 2022-5-10 22:52
尾翼不能一味加大，尾容量有个合适区间，大了动稳定性反而可能不好。

是的，垂尾就是这个问题，首飞时很难操纵，后来把方向舵切了三分之一。平尾也是考虑到重心可能会放得比较后，而尾管又比较短，所以放大了一些，这会增加尾翼的型阻，对巡航不利。等再试飞几次，我试试把尾翼做小一点。

言归正传，接下来发制作过程。Flash Player被禁用是件头大的事情，到处都找不到下载，甚至Linux系统下都不行。最后找到了Windows平台下版本号32的纯净NPAPI版flash，又下载了支持flash的Firefox ESR版本，终于成功了。29版本会报版本过低。（更新：重启后又被禁用了，很生气）


CAD画图搞了20来个小时，很烦人。画图的时候新买的轨迹球鼠标倒是挺好用，就是长得有点抽象。为此写了篇Blog。（这插入链接功能怎么会导致浏览器卡死啊）
反复调了几次激光切割的功率，切出来了：

激光切割时需要留足余量。我留的0.1mm。一些软件（如EagleWorks）在偏移曲线时会出现bug，丢失图形。切割时功率低点、速度慢点，强吹气。

木机的工序比较繁复，做的过程也相对磨人。工艺、工序、基本功都需要考虑。简而言之，多比划，多观察，确定了再粘接。PS：同学喜欢听收音机，一起干活的时候经常放FM94.7。一边听音乐，一边干活，还是挺惬意的。

修整了一下翼肋，开始装，慢干的CA330挺好用的。



注意翼根那里的3D打印件。两端多出来的一点碳片用夹背锯锯掉了。夹背锯很薄（0.3mm厚），精度很不错，可以像用刀一样使用，在切断各种材料时很好用。

搭建骨架时，以前后缘、梁作为基准。如果梁和翼肋下表面最低点有距离（如双凸、穿梁），可设计工装，也可把梁垫起来并固定。如果桌子上不能钉钉子，可以用胶带、双面胶、重物、隔桌相吸的磁铁、磁铁+铁板等方法来固定零件，也可以把钉子钉在硬纸板、密度板、木工板等工作板上，垫一张蜡纸或塑料纸（比如书籍的包装、热缩膜的衬纸/衬膜等）防止粘到一起。装梁时要注意后缘位置，小心翼肋翘起来。上了第二条梁或后缘后就可以拿起来做了，方便安装下表面上的梁。组装骨架时尽量减少木头的变形与应力，修整不匹配的地方。别做俩一样的机翼。

大概用料如下：

- 上下梁、舵面前缘:1.6x6碳片

- 前缘：内段2mm碳杆，外段1mm碳杆

- 后缘：0.5x10mm碳片（其实有点宽了）

- 翼肋：2mm轻木

- 蒙板、腹板：1mm轻木

前缘是最后上的。

蒙板是一件比较麻烦的事情。我曾认为前缘处的轻木弯不过来，试验了一些，发现可以。重点在于1）选择A-grain或B-grain的轻木（纤维长，没有C-grain特有的那种横向的短木纹）或木皮，2）最好选用弦切方向的木材，3）抹上足够的水，顺木纹弯曲，切掉多余的部分（也可以先粘上再切）。用快干胶先固定前缘，用乳胶或快干胶粘剩下的部分。前缘附近曲率较大的地方可能必须用快干胶固定，可以套上老鼠尾往里涂。抹上胶后可以用前缘卡板、夹子、磁铁、大头针等工具固定蒙板，但要注意别压得凹进去了。一刻钟后，水就基本干透了，曲率较大的地方也就定型。可以不断抹水调整，抹水后用剪刀修剪可以避免木板劈裂（这是为什么？）。蒙板的接缝处不需要太特别的处理。水干后，前缘处的蒙板可能会裂开。

外段机翼，先把骨架搭起来再切出副翼，翼尖那里太薄了，考虑到工艺上的难度和翼尖失速的可能，我就没开到翼尖。

切割打磨时，可以用磁铁吸在台钳或桌子的侧面来固定盛接的容器。木屑、碳屑对身体有害，要避免吸入，不过它也可以混在环氧树脂里用来加强。

上反角插销套盒，手头没有凯夫拉，就没缠线。

刀的痕迹很细，用刀划痕迹甚至比用笔更准。


蒙板和做插销交替进行，所以图片可能有点乱，见谅。

注意磨掉翼梁上残余的木头。注意翼肋的角度。上反角插销用3mm+2mm层板叠起来，要谨慎修配，减少旷量。修过了可以贴轻木打磨，还有润滑的效果；如果只差一点的话，可以涂一层502。定位销的孔得旷一点，因为插接的时候并不是正着插进去的。定位销需要比蒙板早处理，要不销子掉进去出不来了，就像我做的这样。

切层板、碳杆之类的东西时，最后一点最好别锯，用刀切，要不容易劈。或者转个方向，从表面开始锯。这是为啥呢？

外段的蒙板，用前缘卡板固定：

之后贴了腹板，骨架基本做完。贴腹板可以大大提升抗弯性能，相当于把层合梁变成整体梁。尽量不要在蒙板和腹板上打孔。

一开始不要太在意强度。做着做着强度就起来了。

舵面前缘打算用木条和碳片拼成L形。结果发现手头只有桐木能有这么长，3mm的桐木片木纹还是弯的，于是做得惨不忍睹。

比划一下舵机：

Z字弯这么做更锐利一点：

未完待续，明天接着发。。

遗落的忧伤

1.8米的热气流机碳梁着实没必要，而且1.6毫米厚度腹板粘结不牢固。用材有点过剩，强度个人觉得没增加多少，不如传统木结构。

锴2510

遗落的忧伤 发表于 2022-5-11 01:32
1.8米的热气流机碳梁着实没必要，而且1.6毫米厚度腹板粘结不牢固。用材有点过剩，强度个人觉得没增加多少， ...

也有道理。一开始我想用2x6松木，下梁额外再贴一条碳片，但手头没有木条，就直接拿碳片了，反正这个设计对重量要求也宽松。腹板粘得还凑合。最大的缺点是结构设计，因为D盒比较窄，抗扭还是稍差。副梁和后缘用料是真的有点过剩。

水磨泉

好帖，读着舒服。一点补充，对着电脑做出来的机还要经过大自然和人的长时间飞行检验才能得出是不是好机。像原料和辅料的抗紫外线，抗热老化，整体平整度抗扭度，对天气的适应范围，可出勤率等。个人对可出勤率很看重。

遗落的忧伤

锴2510 发表于 2022-5-11 11:35
也有道理。一开始我想用2x6松木，下梁额外再贴一条碳片，但手头没有木条，就直接拿碳片了，反正这个设计 ...

一般上梁要结实点，碳片抗挤压效果不好，其实下梁用碳片，上梁用松木可以。后缘用轻木加碳片效果就不错了，单用碳片蒙皮时该扭的还是得扭。我不喜欢用副梁，翼肋斜撑我觉得就可以达到效果。

锴2510

书接上回。

舵面驱动采用Top Drive，拉杆藏在机翼里，其实还是传统的四连杆机构。需要注意的是，钢丝受力较大，需要用粗一点的，或者套碳管，要不容易因为弯曲而降低精度。我的襟翼的钢丝就用得细了，导致行程偏小（因为钢丝被顶弯了）。

在舵机摇臂根部钻孔，放在位置上测试，确定舵量够用再切断多余的。这里要注意，因为舵角的力臂有时较长，舵机摇臂如果先行剪短，舵量不够时就没法再改了。做襟翼时就因此而重做了舵角。模友给出的两侧力臂的比值的参考值大概在1-1.5之间。

襟翼的舵量做成了不对称的，上电测试，确认下放够用。注意拉杆的钢丝要一次到位，Z弯应尽量锐利，中间那段应尽量短，两侧Z弯方向相反，使得受力通过连杆中心，防止其弯曲。先测试好，将用纸胶带缠过、已装连杆和摇臂（包括螺丝）的舵机（防止502流进去）粘好，再蒙皮，最后粘舵角。蒙皮上洞可以掏得很小，刚好穿过来即可。如果孔位有旷量，可以点微量502。

延长线的接法。电池的平衡头也是XH2.54的，可以和舵机线互相插，只是端子长得不太一样。打印件里留的地方太小，塞不进杜邦头，就改用电池的平衡头，自己压了一下端子。压端子也有讲究，注意线和线皮的长度。压接教程
舵角没有粘死，插进舵面里测试过行程，蒙皮后再粘死。钢丝留在机翼里，因为舵机粘住后就拆不了摇臂了。

蒙皮蒙得半条命都没了，做完自己都不想看，皱得惨不忍睹。

骨架一定要打磨到没有凸起。透明膜在温度过低时很容易皱。特别注意温度，110-120度贴到膜上，120-130贴到骨架上，140热缩（更正：温度太低，朋友建议160-170，就不会皱了）。热缩膜不太粘碳，需要拿502补一下。缩的时候把熨斗轻点放上去，防止把上下表面蒙皮贴在一起。
热缩也不能光缩有皱纹的地方，可能是周边张力不同引起的。上下表面对称着来，防止扭曲。需要注意的是，一些脆弱的地方容易变形，例如翼肋和后缘——我缩完翼尖才发现原本有间隙的副翼翼肋和翼尖的翼肋又有点干涉。

在蒙比较薄的地方时，上下表面容易粘在一起。蒙的时候千万不能用力按，要拉紧。先把边上烫住，再缩到基本平整，再蒙另一面，再调整。如果缩得太过，就得返工重来。

对热缩膜的更详细介绍，请参阅《没有秘诀》。

接下来解决机翼和机身之间的连接问题。尾管打眼，把锯掉耳朵的反爪螺母用环氧粘上（环氧里混了轻木粉加强），机翼直接拧在尾管上，用轻木做了翼台（本来是打算3D打印的，后来懒得弄了）。

碳管打孔容易滑，也容易劈，我用胶带缠了一下，稍好。孔可以打大一些，用环氧混轻木粉/玻璃微珠（轻粉）/碳屑填缝。但是要注意，这些东西吸进肺里致癌，做好防护，多洗手。


如此定位。机翼悬空。因为空间紧张，图中的舵机插头后来又稍微往机翼里推了一点并点胶固定，要不机身侧的插针放不下了。

为了保证机翼能装上，固化过程中定位的螺丝一直拧着。配环氧树脂最好戴手套，如果沾到手上可以趁未干用酒精擦洗。金属和碳纤维间的粘接，502粘不住，必须得环氧。

然后做尾翼。一开始想做成类似机翼的结构，但发现切出的翼肋太细了，强度不行，只能放弃，改用他法。尝试使用斜向的翼肋，并沿展向加了几条1mm的肋，一是增加扭转的刚度，二是缓解上下表面热缩膜粘一起的情况。尽管如此，过薄的尾翼后缘仍旧扭曲了。平尾的翼型稍有一点弯度，到时候试试负弯度对飞行的影响。



蒙皮时用纸盒垫一下，方便拉展。


尾翼的翼台是3D打印的，重约5g。


垂尾成品和弃用的尝试。垂尾用热缩膜做铰链，但后来发现，热缩膜会妨碍舵面活动，在拉线拉紧时张力过大，舵面转不过来，故切开了一侧，贴透明胶固定。究其原因，可能是因为蒙热缩膜时，铰链处收缩了两次，导致空间不够。A字形扭簧用0.4mm钢丝弯制。在装扭簧时，注意孔的角度，角度上的轻微差别决定了扭簧在转动时能不能留在铰链缝里。

闪电飞猫

看到这上反角插销，我觉得白瞎了这折寿的碳梁

锴2510

遗落的忧伤 发表于 2022-5-11 12:08
一般上梁要结实点，碳片抗挤压效果不好，其实下梁用碳片，上梁用松木可以。后缘用轻木加碳片效果就不错了 ...

学到了。斜翼肋我还不会画，慢慢学习中。下次把舵面前缘换成整条轻木或桐木。

锴2510

水磨泉 发表于 2022-5-11 11:52
好帖，读着舒服。一点补充，对着电脑做出来的机还要经过大自然和人的长时间飞行检验才能得出是不是好机。像 ...

感谢支持。电脑算出来的毕竟还是理想化，更多是帮助确认设计的合理性。好飞、好维护、寿命长当然最好，但需要经验的慢慢积累。第一次从头到尾自己做，木构架蒙膜也不太扛得住太阳晒，我只希望它能活过这个夏天

锴2510

闪电飞猫 发表于 2022-5-11 12:41
看到这上反角插销，我觉得白瞎了这折寿的碳梁

常见的做法是拿碳板切出来，但疫情期间，高端家伙是摸不着了，就拿层板做了。本来想做成层板夹碳的，后来也懒得做了。其实层板的强度也够用了，而且修配比碳的方便，摔飞机的时候还能牺牲插销救一下机翼主结构。

锴2510

电脑再开机后，浏览器里又识别不出Flash插件了，疑似是被微软屏蔽了，挺气人。无奈把图片在本地压缩过再传上来，图片右下角有时间水印，细心的朋友可以注意一下，4月份因为疫情的缘故，几乎是空白的。

装尾翼需要先考虑舵面驱动，所以机头得一起做，把舵机装上，测试下舵面动作，才能装尾翼。

机身的外形大概是这样的：

机身的结构比较独特，斜隔框承力，空间也紧凑，我还没见过类似的设计。但这也意味着工序比较混乱，可维护性也很差。最大的弱点在于尾管，碳纤维卷管的强度弱，断了也没法接。电子设备也不太好换，只能祈祷一下电子设备的寿命能比飞机长。

尾管上需打孔、预埋螺母，隔框需预先修整，斜隔框还需要贴碳。装配时，先装上机翼，在尾管上假装龙骨和最后两个隔框，再假装斜隔框和防火墙，以确定关键受力件的位置；之后穿钢丝和拉线，测试是否有干涉。锯短了后面的机翼固定螺丝，以防止其和钢丝打架。无误后点502粘合。之后修配斜隔框和防火墙，把电机和第2隔框也装上，看是否干涉；无误后先粘下面的斜隔框，再粘其余零件。用环氧树脂加强机身。类似笼子一样的结构加大了施工难度。

假装一部分零件，承力件已经用环氧树脂贴过碳。拉杆已经穿入，但别着劲儿，需要调整，这一步留到确定钢丝长度后来做。


先装上最后俩隔框和龙骨。

斜隔框需要反复修配，什锦锉慢慢磨。

注意接主翼舵机的延长线，5pin，供电+3条信号线。电机是朗宇2212三代。电调是飞盈佳乐的弗兰奇。需要注意的是，这电调基本就是穿越机电调绑了个BEC，2S下BEC正常但电调罢工，必须用3S。

垂尾扭簧和摇臂细节。拉线用线缠几圈点502固定。

3D打印件大大方便了固定。此时平尾的舵角还没粘死。

尾翼翼台的位置比较灵活。先确定拉杆入口、出口，碳管上缠胶带再打孔，防劈。用刀和什锦锉扩大开口，穿钢丝，折Z弯。如果摩擦比较严重，把冲突地方的钢丝折成Z字形，弯折处应多留一些，因为要前后运动。

钢丝的长度大概确定后就没法改了，通过测试、调整舵机、翼台、舵角的相对位置来调中立点和行程。拉杆驱动实际上是四连杆机构，舵机摇臂越短、舵角力臂越长，舵面行程越大。我先测试了动作，固定了舵机一侧，之后固定了舵角。

拉线要烦人一些，因为是一锤子买卖，容错率较低。我取了较长的一段钢丝，先固定舵角侧（折回来缠线点502），之后固定舵机侧，并上电测试行程和力度。确定无误后，松舵机侧，粘垂尾。垂尾粘牢后，将舵面掰回来，确定舵面舵机均在中位时对应的线长，折回来做标记。之后检查行程是否够用，将拉线穿过摇臂孔并固定，剪去多余部分。将摇臂装在舵机上，通过微调舵机位置来尽量调正中立点，点胶固定舵机。舵机缠纸胶带防止胶渗进外壳。因为空间不够，方向舵舵机锯掉了一侧耳朵。

尾翼的驱动部分比较难做，花了我一下午+一晚上，主要是因为1）钢丝和碳管的摩擦不好解决，反复尝试了弯折钢丝。2）反复确认垂尾的行程、拉线长度、舵机位置很耗时。3）机身的空间设计得比较小，为了让舵机相互不干涉，花了不少时间调整。

舵机的空间也比较紧张。注意钢丝被弯过以减小摩擦阻力。两个弯折点要离得比舵面行程长度更远一点。舵机的边上粘了木块。

本来侧面桁条想用一整条碳片的，但弯不过来。拍脑袋的想法靠不住啊。

之后就是蒙板了。只蒙了一部分容易受压的地方，懒得拼板子了。蒙板方法同机翼。

然后蒙皮。

用饮料瓶剪了个舱盖。

机头这里的设计也有问题。突出的那一块会阻挡电机启动，需要电机有足够启动力度。飞盈佳乐电调需要连电脑调参，比较烦。我把信号线和地线接到穿越机电调上调的。

紧钉式折叠桨总是射桨，将电机轴锉花后解决。

塞1300mah的电池有点委屈这个机身了。接收机的天线甩出来贴在机身侧面或机翼下表面。

机翼承载测试。4S 8000电池+500mL装满水的水壶，大概1.25kg？

差不多做完了。之后调了调，5月7日就上天了。试飞过程我再开个帖吧。请关注新帖。

59744a

挺好

闪电飞猫

锴2510 发表于 2022-5-11 13:22
学到了。斜翼肋我还不会画，慢慢学习中。下次把舵面前缘换成整条轻木或桐木。

找资料时偶然翻到的，古代斜翼肋工艺。不过，我的看法是斜翼肋用于蒙板结构会更有用，蒙皮结构反倒导致机翼表面不平顺。蒙皮结构用斜撑更好，只要不是凹凸翼型机翼，抗剪抗扭都有效，而且制造工艺更简单。

闪电飞猫

锴2510 发表于 2022-5-11 13:22
学到了。斜翼肋我还不会画，慢慢学习中。下次把舵面前缘换成整条轻木或桐木。

嘿，斜撑在下一期，斜撑的其中一种形制

锴2510

闪电飞猫 发表于 2022-5-13 11:49
嘿，斜撑在下一期，斜撑的其中一种形制

学到了，斜撑感觉更好做一点。斜翼肋我慢慢学着画，感觉热缩膜蒙皮后表面凹凸那点影响也不大。滑翔机的讨论群里看到过老外的木机，整个机翼骨架都是斜翼肋做的。

风之纹章

复材的滑翔机对于没飞过滑翔机的固定翼老手来说，可不可以入手做入门练习？