航天模型原理与结构—8.结构与应力
第八节 结构与应力 一只老鹰体重大约是同样大小的狗体重的四分之一，鸟类为了飞行牺牲很大，少了很多陆上动物有的器官如下巴、牙齿、膀胱等，骨头也是中空的，这一切都是为了节省重量，我们设计飞机也要一样，避免不必要的重量是一架好飞机的基本条件。整架飞机的结构要均衡的设计，某一部分特别坚固除了增加重量外没有任何意义，当然也不要有结构弱点，否则结构就会从那弱点失败。设计时可以考虑让飞机不容易摔下来，但千万不要考虑万一摔下来还希望些部位不要摔坏。当然如考虑到重落地轮架适度加强是合理的，但也不必加强到整架飞机都摔烂了起落架还是完整的程度。 轻木（巴沙木）的比重从0.2到0.5都有，飞机各部位受的应力种类不同大小也不同，设计时最好顺便决定各部所用的木头的强度，以简略分为轻、中、重三级，以免飞机完成后重量与预期的差太多，此外粘着剂也要适量，不能使用AB胶就像水泥工抹墙壁一样厚，还有节省重量当然很好，但还要注意一个“度”的问题。一、应力破坏 应力破坏就是飞机承受不了所受的力而产生破坏，结构应力破坏分成以下几类： 1、拉力破坏：拉力破坏的意思是构件两端受拉，拉力超过所能承受强度造成破坏。除了因引擎座附近要负责把飞机往前拉所以拉应力比较大以外，其他部分拉力都不会造成问题，但牵引滑翔机牵引时机翼与机身接合处拉力也很大。 2、压力破坏：压力破坏的意思是构件两端受压，压力超过所能承受强度造成破坏，机翼的升力对机翼的下缘来说是一种压力，但飞机的重量平分到整个翼面后，压力就很小了，所以也不会造成问题。 3、剪力破坏：剪力顾名思义就是一上一下的力，把构件剪断。飞机重落地时，飞机重量（向下）与机轮从地面传来力（向上）齐齐的沿起落架座把机翼给剪断，主翼与机身结合的插销如果不够坚固，一个翻滚也可能把插梢剪断，这时机翼与机身分家，机身像飞弹一样坠地，机翼比较轻，大概还要好几秒才触地。 4、弯矩破坏（如图1－79）：从图上可以看出，构件上缘是压力，下缘是拉力，不管是拉力或压力哪个先超过极限，结构都破坏了，这是飞机飞行中最常见的破坏情形。当飞机俯冲后开始作一翻滚，天空突然传来一声鞭炮声，一边机翼飞出去，另一边有可能还连在机身上，各自旋转坠落，这是最典型的力偶矩破坏。
图1－79 弯矩破坏 5、扭矩破坏：扭矩破坏顾名思义就是扭断了，机翼大梁一般都偏前面而襟、副翼在后，当襟、副翼放下使机翼受扭力，此时如机翼无法承受扭力则会扭回去，使机翼变成外洗，扭力立刻变小（如图1－80），所以:机上扭力不会造成破坏，但外洗使升力大为减小，所以重点在防止扭矩变形。
图1－80 扭矩破坏二、受力1、机翼 机翼飞行时所受的升力基本上是平均分布的。正如前面介绍的，主翼每单位面积所分担的重量称为翼面负载。 机翼飞行时所受的升力因为是平均分布载重，盖板受的力并不大，所以一般盖板用2mm的巴沙木绰绰有余，有些飞机根本没有盖板而用薄膜。翼肋片只要把翼型撑出形状就好，不可能有压力破坏，通常把它挖洞以减轻重量。机翼中我们比较关心的是力偶矩及扭矩应力，飞机飞行时机翼上所受的力如图1－81所示。
图1－82 机翼大梁的布置 双翼机机翼的结构与单翼机不同，单翼机的机翼是悬臂式结构。双翼机l独一片上翼或下翼都是软趴趴的，加上中间的支撑及钢线成一箱形结构。箱形结构在承受力偶矩时上下翼分别承拉力与压力，不像单翼机由同一机翼的上下梁分别承受拉力与压力，因上下翼离开的很远开，所以在结构上很有效，但由于中间支撑及钢线增加的阻力及上下翼之间的干扰，故双l机都飞不快。 要抵抗扭矩变形应设法使机翼结构成桶状，使外缘有最多的材料，所以全覆盖的机翼除翼型比较准确外，抗扭性也比较好。小飞机机翼没有全覆盖，也要使前部形成一个桶（如图1－83），以便抵抗扭力。
图1－83 全覆盖机翼 泡沫塑料是机翼另一种常见的材料。与巴沙木相比，保丽龙可以承受压力，虽然没有木头强，但也不能完全承受拉力，所以使用泡沫塑料作机翼要加上抗拉力材料。常见的作法有在上下缘埋入木头梁，或是只埋下缘梁以承受拉力，另外就是整个以FRP布包覆，成一桶形结构，这种方式在滑翔机上很常见。 机翼的破坏有勾蟛糠质橇ε季仄苹怠Ｎ了防止力偶矩破坏有些飞机机翼装有斜撑如塞斯纳152等，斜撑对减低力偶矩及剪力很有效。如（图1－84）可以看出最大力偶矩及剪力都降低许多，代价当然是斜撑多出来的重量与阻力。
图1－84 带斜支撑的机翼 机翼除了常见的架构式及泡沫塑料作法外，遥控滑翔机还有一种常见的作法叫Jedelsky wing（如图1－85），采用两片实心木头合成，薄且内凹的翼型很适合采用。
图1－85 实木机翼2、机身 目前一般遥控模型的机身属薄壳结构，机身成一个圆桶状，抗弯及抗扭性都很好，唯一要注意的地方是机翼与机身结合开口处。一般开口后缘至引擎座都有一片三夹板的补强板，中翼机开口处因断面太小，有可能造成剪力破坏，需特别加强，此外引擎座与防火墙直接与引擎接触，有恼人的震动问题，该处容易渗油使粘着剂失效，也要注意。3、连杆与舵 连杆将舵机的动作传至舵面，当连杆受拉时一般不会出问题，但连杆受压力时，虽然不至于会破坏，但结构上连杆属于细长柱，压力太大时会产生失稳弯曲。所以高级飞机方向舵等改用双拉钢线，一般没有间隙。连杆在舵角片上的插销很多练习机只是一根细细的塑料，很容易被剪力破坏，需要时常检查。 舵在作用时承受很大的扭力，尤其是细长的副翼，伺服器拉的位置需要仔细的斟酌，如拉的位置太偏一边，因扭力大（如图1－86a），翼端的副翼会产生不预期的外洗，这时把舵机拉的位置往外移一些，扭力变为如图1－86 b，最大扭力可以降低许多。
图1－79 弯矩破坏 5、扭矩破坏：扭矩破坏顾名思义就是扭断了，机翼大梁一般都偏前面而襟、副翼在后，当襟、副翼放下使机翼受扭力，此时如机翼无法承受扭力则会扭回去，使机翼变成外洗，扭力立刻变小（如图1－80），所以:机上扭力不会造成破坏，但外洗使升力大为减小，所以重点在防止扭矩变形。图1－80 扭矩破坏二、受力1、机翼 机翼飞行时所受的升力基本上是平均分布的。正如前面介绍的，主翼每单位面积所分担的重量称为翼面负载。 机翼飞行时所受的升力因为是平均分布载重，盖板受的力并不大，所以一般盖板用2mm的巴沙木绰绰有余，有些飞机根本没有盖板而用薄膜。翼肋片只要把翼型撑出形状就好，不可能有压力破坏，通常把它挖洞以减轻重量。机翼中我们比较关心的是力偶矩及扭矩应力，飞机飞行时机翼上所受的力如图1－81所示。
图1－82 机翼大梁的布置 双翼机机翼的结构与单翼机不同，单翼机的机翼是悬臂式结构。双翼机l独一片上翼或下翼都是软趴趴的，加上中间的支撑及钢线成一箱形结构。箱形结构在承受力偶矩时上下翼分别承拉力与压力，不像单翼机由同一机翼的上下梁分别承受拉力与压力，因上下翼离开的很远开，所以在结构上很有效，但由于中间支撑及钢线增加的阻力及上下翼之间的干扰，故双l机都飞不快。 要抵抗扭矩变形应设法使机翼结构成桶状，使外缘有最多的材料，所以全覆盖的机翼除翼型比较准确外，抗扭性也比较好。小飞机机翼没有全覆盖，也要使前部形成一个桶（如图1－83），以便抵抗扭力。图1－83 全覆盖机翼 泡沫塑料是机翼另一种常见的材料。与巴沙木相比，保丽龙可以承受压力，虽然没有木头强，但也不能完全承受拉力，所以使用泡沫塑料作机翼要加上抗拉力材料。常见的作法有在上下缘埋入木头梁，或是只埋下缘梁以承受拉力，另外就是整个以FRP布包覆，成一桶形结构，这种方式在滑翔机上很常见。 机翼的破坏有勾蟛糠质橇ε季仄苹怠Ｎ了防止力偶矩破坏有些飞机机翼装有斜撑如塞斯纳152等，斜撑对减低力偶矩及剪力很有效。如（图1－84）可以看出最大力偶矩及剪力都降低许多，代价当然是斜撑多出来的重量与阻力。图1－84 带斜支撑的机翼 机翼除了常见的架构式及泡沫塑料作法外，遥控滑翔机还有一种常见的作法叫Jedelsky wing（如图1－85），采用两片实心木头合成，薄且内凹的翼型很适合采用。图1－85 实木机翼2、机身 目前一般遥控模型的机身属薄壳结构，机身成一个圆桶状，抗弯及抗扭性都很好，唯一要注意的地方是机翼与机身结合开口处。一般开口后缘至引擎座都有一片三夹板的补强板，中翼机开口处因断面太小，有可能造成剪力破坏，需特别加强，此外引擎座与防火墙直接与引擎接触，有恼人的震动问题，该处容易渗油使粘着剂失效，也要注意。3、连杆与舵 连杆将舵机的动作传至舵面，当连杆受拉时一般不会出问题，但连杆受压力时，虽然不至于会破坏，但结构上连杆属于细长柱，压力太大时会产生失稳弯曲。所以高级飞机方向舵等改用双拉钢线，一般没有间隙。连杆在舵角片上的插销很多练习机只是一根细细的塑料，很容易被剪力破坏，需要时常检查。 舵在作用时承受很大的扭力，尤其是细长的副翼，伺服器拉的位置需要仔细的斟酌，如拉的位置太偏一边，因扭力大（如图1－86a），翼端的副翼会产生不预期的外洗，这时把舵机拉的位置往外移一些，扭力变为如图1－86 b，最大扭力可以降低许多。