万博士的航空讲堂(14)

三十二、航模动力装置分类

目前，模型上常用的动力装置主要有：活塞式发动机、电动机、喷气式发动机、二氧化碳动力装置、橡筋动力装置。

1. 活塞式发动机

活塞式发动机是模型飞机上用得最多的动力装置。常用的活塞式发动机，按点火方式分成3大类：压燃式、电热式、电点火式。

（1）压燃式活塞发动机

压燃式活塞发动机构造简单，使用也较方便，适合于普及类航模（图1）。

压燃式发动机的燃料，主要由乙醚、煤油和蓖麻油3种成分组成。乙醚的作用是引爆，其燃点低，在被压缩时，乙醚很易达到燃点，因此压燃式发动机在启动和工作时不需用点火装置。煤油是主要的燃料，热值高，是发动机作功时的主要能源。蓖麻油起作用，二行程发动机无专门的系统，蓖麻油直接混合在燃料中，再进入发动机内部起作用，同时也增加了汽缸、活塞之间的气密性。

（2）电热式活塞发动机

电热式活塞发动机（图2）与压燃式活塞发动机最根本的不同，在于其点火方式，不是靠压缩混合气自燃点火，而是靠汽缸头上的电热塞（俗称头子）点火。电热式活塞发动机在启动时需要通过电池对铂电阻丝（位于电热塞内部）加热以点火，在启动之后则靠保持红热状态的铂电热丝进行点火。

电热式发动机所用的燃料主要是甲醇。同样用蓖麻油；现在也有新的化学合成油，与甲醇配比好可直接使用。有时还用硝基甲烷作为添加剂，以增加功率并提高发动机的工作稳定性。其添加量一般为5%～25%，需根据发动机转速增加的情况而逐步增多。不同的发动机，硝基甲烷的添加量也不同。绝非加得越多，功率就越大，用量不适当甚至会损坏发动机。

（3）电点火式活塞发动机

电点火式活塞发动机（图3）与电热式活塞发动机不同，汽缸头上装有火花塞，需用升压供电装置产生高压电进行点火。目前航模用的汽油发动机都采用这种点火方式。因需要升压供电装置和专门的供电电池，故增加了额外的重量，使用起来也相对麻烦，多用于大尺寸模型飞机，不过这种发动机相比压燃式和电热式运行更稳定，调试好了在使用中很少出现熄火现象。

模型飞机的飞行性能，与发动机有直接的关系。模型爱好者都希望能有一台功率大、重量轻、工作稳定、启动容易、使用寿命又长的好发动机。要想这样，除了发动机本身设计和生产质量的优劣外，能否正确地使用和维护也非常重要。

2. 电动机

随着电子技术的发展以及高性能电池的出现。电动机已成为航空模型的主要动力装置之一（图4）。因为清洁卫生、使用方便、易于掌握、安全可靠，所以目前在航模赛场上越来越多的人开始使用电动机，有逐步取代活塞式发动机的趋势。

电动机分为有刷电机和无刷电机，最早使用的都是有刷电机。其驱动简单，在没有电子调速器的情况下也可以工作（其电极的换相依靠电机内的电刷完成）。但电刷在使用一段时间后会发生磨损和氧化，导致电动机的效率下降甚至出现故障，因此需要经常维护。随着电子技术的迅速发展，目前航模上使用的电机已大多为无电刷式。这种电机通过三根导线与电子调速器相连，电极的换相则依靠电子调速器实现。好的无刷电机的效率可以达到90%以上，设计完善的产品寿命也很长。

3. 喷气式发动机

模型飞机上采用的喷气式发动机有两种：一种是脉动冲压喷气式发动机，噪音极大、使用寿命短、操作复杂，目前已很少使用；另一种是目前用得较多的涡轮喷气式发动机（适用于固定翼模型飞机），以及在此基础发展起来的涡轮轴喷气式发动机（适用于模型直升机）。

航模用涡轮喷气发动机（图5），其基本原理虽与载人飞机所用的涡轮喷气发动机一样，但结构简单得多。航模上使用的都是单转子涡喷发动机，采用一级离心式压气机，环形燃烧室和一级涡轮。其燃料是航空煤油。涡轮喷气发动机随着速度的增加推力下降不明显，利于高速飞行。但其耗油率却非常高，因此多用于像真模型飞机，飞行时间比较短。

4. 橡筋动力装置

橡筋束是模型飞机使用比较早的一种动力装置，实际上是一种储能装置。在绕橡筋的时候，就可将人体发出的能量储存在橡筋的拉伸和扭曲等变形中，从而使橡筋束具有很大的扭转力矩。螺旋桨就是在这个扭转力矩的作用下旋转并产生拉力，使模型飞机不断前进从而获得升力。橡筋束的质量很重要，好的橡筋束能够存储更多的能量，使螺旋桨产生更大的拉力，并能维持较长的动力时间。橡筋动力装置主要使用在一些自由飞模型上（图6）。

5. 二氧化碳动力装置

这种发动机可将高压气体直接由汽缸顶部注入汽缸，推动活塞向下运动输出功率（图7）。其结构简单，没有油污及废气污染。该发动机使用时与二氧化碳气瓶相连，气瓶可通过其分路管道末端的单向阀反复充气、反复使用。不过，这种发动机目前使用不如前几种普遍。

三十三、航模活塞发动机组成

在电动机广泛使用之前，几乎90%以上的有动力模型飞机都使用活塞式发动机，即便电动机普遍使用的今天，活塞发动机仍旧是模型发动机的一种主要形式，并在很多方面有电动机不可替代的特点。

活塞式发动机由汽缸、活塞、曲轴、连杆、汽化器、机匣和散热片等组成，如图8所示。

（1）汽缸和活塞

燃油和空气的混合气体在汽缸里面燃烧，通过活塞的运动把混合气的热能转变成机械能。

（2）曲轴和连杆

曲轴和连杆的作用是把活塞的往复运动变成输出轴的旋转运动。

（3）汽化器

由油针、喷油嘴和喉管等组成，也称化油器，是把燃油进行雾化进入机匣的装置。

（4）机匣

把发动机的各个部件连成一个整体，其下部是一个密闭的空腔，新鲜的混合气先在这里暂存。

（5）散热片

用来散发汽缸的热量，以防发动机过热损坏。

三十四、航模电动机

锂电池技术的进步大大促进了电动模型飞机的发展，使其占模型飞机的比重越来越大。电动模型飞机依靠动力电池提供能源，通过电动机输出扭矩并带动螺旋桨旋转从而产生拉力。动力电池目前使用的主要是锂电池，之前主要为镍铬电池。模型飞机的电动机分无刷电机和有刷电机。两者的区别在于是否有用于换相的电刷。目前，无刷电机在电动模型飞机中使用更为广泛。

1. 有刷电机

有刷电动机（图9）基本上是直流电动机，有2个铜质或碳制的电刷（图10）通过绝缘座固定在电动机后盖上，直接将电源的正负极引入到转子的换相器上。而换相器（图11）连通了转子上的线圈，多个线圈极性不断的交替变换与外壳上固定的磁铁形成作用力进而转动起来。

因为换相器与转子固连，电刷与外壳（定子）固连，电动机转动时电刷与换相器不断摩擦，产生大量的阻力与热量，所以有刷电机的效率不易提高。但有刷电机制造简单、成本低廉。早期模型电动机基本上都为有刷电机。

2. 无刷电机

顾名思义，无刷电机就是没有电刷的电机。它实际上是一种交流电机，使用时需要通过电子调速器产生交流电从而产生交变磁场使得电机转动。模型上使用的无刷电机（图12），其空载阻力主要来自转子与定子的旋转接触点的摩擦，为此一般的无刷电机在转子两端都采用了滚珠轴承，以大大减少摩擦阻力和发热量。目前的无刷电机具有高达80%～90%以上的效率，输出功率大，动力强劲。

在选择无刷电机时通常要参考一个重要参数——KV值。KV值指的是输入电压每增加一伏电机转速的增加量，也就是说：转速=KV值×电压。无刷电机需要使用三相交流电源，而模型上使用的是直流动力电源，这就需要使用可将直流电源转变为三相交流电源的无刷电子调速器（图13）。无刷电子调速器还有其它很多功能，这里不再一一细述。

读者可能会问，如何能够辨别有刷电机和无刷电机呢？实际上直接从外观上就可以区分：有刷电机只有两根引出的电源线，而无刷电机有三根引出的电源线。

三十五、模型火箭发动机

模型火箭发动机是推动模型火箭升空的动力装置，是模型火箭的心脏，是组成模型火箭的重要部件。模型火箭发动机实际上就是一种微型固体火箭发动机（图14），与真实的固体火箭发动机无论从原理上，还是从其它方面都有很多相通之处。固体火箭发动机是中国发明的，南北宋时期发明的火药火箭与现代的模型火箭发动机，在原理、构造和使用材料方面几乎没有太大区别。由于模型火箭发动机所使用的推进剂具有易燃、易爆性，因此只允许具有安全生产资质的企业进行生产。

典型的模型火箭发动机由纸质壳体、陶土喷管、推进剂、延时（发烟）剂、弹射（开伞）剂、堵盖和点火装置组成，如图15所示。而用于助推的发动机，或用作多级模型火箭前几级的发动机，没有延时剂和弹射剂，因为它们不需要施放示踪烟雾，也没有打开回收装置的要求。

（1）壳体

模型火箭发动机的壳体不仅用来贮存推进剂、延时剂和弹射剂，而且能使它们在其中进行燃烧；此外，还起到固定喷管和堵盖的作用，从而能维持推进剂燃烧所产生的工作压强，保证推进剂正常燃烧（工作）。

国际上有关模型火箭发动机的标准规定：发动机壳体只能用低热传导率的非金属材料制造；壳体外表面的温度在发动机工作过程中或熄火后都不得超过200℃；壳体在内部超压情况下不会破裂。因此，壳体通常采用强度较高的牛皮纸经多层卷制而成；对于高总冲的模型火箭发动机，也可采用纤维增强塑料制造。

（2）喷管

喷管位于壳体尾部，由收敛段、喉部和扩张段3部分组成，是发动机的能量转换装置。它把推进剂燃烧生成的燃气的热能，转变为推进火箭前进的动能。喷管的作用有两个：其一，使发动机内部有一定的压强，保证推进剂正常燃烧；其二，将推进剂燃烧生成的燃气，在流经喷管时不断加速，最后以高速从喷管出口排出，产生推进火箭前进的反作用力——推力。喷管采用耐烧蚀材料制造，通常用陶土经特殊工艺制成。

（3）推进剂

推进剂是产生推力的化学物资。因模型火箭发动机使用的推进剂都呈固态，所以称为固体推进剂，是一种特殊的含有较高能量的化学物质。它自身包含燃料和氧化剂，燃烧时不需要外界提供氧气。推进剂一般被制成密实的药柱，置于壳体中，位于喷管之前。推进剂药柱的形状通常为内孔燃烧药柱，调节药柱的内孔大小和深浅，即可获得所需要的推力—时间曲线。

（4）延时（发烟）剂

延时（发烟）剂是一种燃烧时能产生烟雾的化学物质。其产生的烟雾可指示模型火箭的飞行轨迹，以便放飞人员肉眼跟踪或用地面跟踪仪器测量火箭高度。由于延时剂燃烧缓慢，使火箭有时间利用惯性继续爬升，以达到最大高度。延时剂一般也制成药柱，置于推进剂药柱后边，当推进剂燃烧完毕，即可引燃延时剂。

（5）弹射（开伞）剂

弹射（开伞）剂是一种高燃速、能生成大量气体的化学物质，当火箭到达顶点时，延时剂燃尽，随即引燃弹射剂。弹射剂瞬即产生的大量气体冲破堵盖，将箭体中的回收装置（一般为降落伞）连同头锥一齐推出。然后降落伞自行展开，带着头锥和箭体安全降落到地面上。

（6）堵盖

堵盖一般采用陶土制造，用于封堵发动机壳体，贮存时起密封和防潮作用；工作时与喷管、壳体一道维持工作压强。

（7）点火装置

点火装置用于模型火箭的点火，平时与模型火箭发动机分开放置，只有需要使用时才将电点火头（图16）放到喷管里面，并插入推进剂药柱内孔中。发射火箭时，再将电点火头与点火装置的其它部件相连。电点火头由导线、桥丝、热敏药组成，通电后热敏药即会燃烧。

固体火箭发动机不能像液体火箭发动机那样可随时调节推力大小，而是事先通过设计推进剂药柱的形状而确定推力随时间变化的曲线。图17是典型的模型固体火箭发动机推力随时间变化的曲线。（未完待续）