一架低成本航拍机的设计与制作

很多人都想象过翱翔天空、俯瞰大地，从空中看一看自己每天居住生活的地方。民航客机虽然可以带着我们飞行，但狭小舷窗的有限视野、3万英尺（约1万米）高空的固定航线，还是让人与俯瞰大地的梦想有些差距。同时，以国内通用航空的现状，租用昂贵的私人飞机航拍，对大多数人而言似乎也不太现实。即便是超轻型飞行器，不仅有经营资格的机构很少，而且租用价格不便宜。

近年来越做越小、越卖越便宜的各种摄像机和照相机，让广大航模爱好者可以通过遥控模型进行航拍。将相机装上模型，代替自己去俯瞰世界，成为很多航模爱好者正在或打算去做的事情。

在本文中，笔者将介绍一款低成本航拍机的设计和制作。这架航拍机在设计和制作过程中的每一个细节，都力求在保证性能的基础上，尽量降低成本。目的就在于，设计一款大部分航模爱好者都能做得起、飞得起、而且还“摔得起”的航拍机，让航拍不再是“土豪”的专属活动。想玩航拍的模友，也可将其作为DIY航拍机的入门参考。

设计目标和技术要求

首先介绍一下笔者设计这架航拍机时假设的条件背景：

1. 所处的城市较小，附近没有专业的航模商店提供优质的航模器材;

2. 经费有限;

3. 住房面积不大，没有专门的工作室进行复杂的加工，日常存放模型的空间也有限;

4. 飞行场地为校园里常见的400m标准跑道，周围有楼房和树木，净空条件不理想。

以上假设的器材和场地等客观条件并不理想，但相信这些符合很多模友当前所面临的困难。

考虑到上述客观条件，航拍机应当具备以下特点：首先是材料，应采用较常用的航模制作材料，以及其他常见并容易获得的材料;其次是动力、飞行控制等系统，应采用能通过网络购买到的普及型号，在控制成本和保证拍摄效果之间做好平衡。模型的构型应易于制作、工艺尽量简单。限于存放空间，模型的外观尺寸也要适当控制，最好做成可拆卸式以便于存放。另外，由于起降空间有限、飞行区域内有树木、建筑等障碍物，因此模型应有较好的起降性能，其机构的稳定性、可靠性也要得到保证。

设计思路和总体方案

根据客观条件明确了航拍机应具备的特点后，设计思路就清晰了。总体方案的确定以任务载荷作为起点，围绕设计要求展开，包括载荷要求、动力配置、总体布局等。

1. 载荷方案

这架模型的设计飞行任务就是航拍，航拍设备可以是质量小于100g的迷你摄像头，也可以是重量较大的高端单反相机，但在成本和拍摄效果之间要做好平衡。考虑到迷你摄像头的镜头太小、成像质量难以保证，且图像的传输、存储等较难处理，为了保证航拍效果，笔者决定采用常见的家用相机作为航拍设备。家用相机的拍摄效果虽然不及单反相机，但价格却远低于后者，且大部分都具备自动对焦、光学变焦等功能，自带的存储卡也可简化图像的处理和存储工作。

家用相机（含电池）的重量大约在200-300g，用作航拍设备必须加装固定、减震、快门控制等部件，加之还需留出一些设计裕度，因此将任务载荷定为500g。

2. 动力方案

从动力/重量比性能考虑，使用甲醇或汽油的二冲程活塞发动机作为航拍机动力最合适。但是燃油发动机需要很多设备，如点火工具、启动器、油泵、储油桶等，不仅投入较大，而且平时的保养维护、油料调配、地面试车等工作会导致环境污染和噪音扰民等问题。因此，这种动力方案不适用于在家中进行组装的模型。

几番比较后，笔者决定使用电动动力。相比燃油发动机，电机虽然动力性能稍逊，但因其一些特点更适合这架航拍机：周边设备简单、投入较少;震动小、易于航拍成像;噪音小，不存在扰民问题;可靠性较高、易于控制，在建筑物、居民区上空飞行较为安全。

3. 布局方案

在确定了任务载荷和动力类型后，就可初步选择总体布局方案了。

因为航拍机要在净空条件有限的场地完成起降和飞行，所以须具备优良的起降性能，以及良好的稳定性、操纵性。为此采用常规布局方案：总体设计成低速模型飞机，具有短距起降飞行器机身较短、平直梯形上单翼、高置平尾“T”形尾翼等常见特征。相比“鸭式”、“飞翼”等非常规布局，常规布局方案较为成熟、制作工艺简单，飞行稳定性和操纵特性好且易于调整。

为方便布置机载设备、充分利用机舱空间，兼顾制作难易度，机身截面设计以矩形为主，机头处做流线形整流。考虑到模型存放问题，机翼与机身的连接被设计为可拆卸结构，机身在机翼后缘收敛，通过一根可拆卸的玻璃纤维管与尾翼连接。

虽然电机的震动很小，但为了进一步提高成像质量，还是把它移到了机翼的发动机短舱上，以最大程度减小机身在飞行中的震动。其双局不仅能有效提高飞行可靠性，还因采用小电机降低了成本。两个发动机短舱被设置成后推式，能避免机翼气流扰动。而且由于机身在机翼后缘收敛，因此即使采用较小的发动机间距也不会与机身发生刮蹭。而较小的双发间距也有助于减小单发停车时不对称推力造成的偏航力矩。

高置平尾和“T”形尾翼的设计好处：面积较大的垂尾可使模型在短机身情况下也能保证足够的航向安定性;面积较大的方向舵则能保证单发停车时提供足够的航向修正力矩;而平尾高置可使其避开机翼后方的紊乱气流和发动机螺旋桨滑流，尤其在大迎角起降时保证升降舵的操纵效率。

这架航拍机采用“前三点式”起落架，既可保证飞行滑跑的稳定性，又能在着陆时允许大迎角和大下滑率降落而不至于发生“海豚跳”、“拿大顶”等情况。因为在场地有限的情况下飞行，粗暴着陆和冲出“跑道”在所难免，所以将起落架设计得“软”一些。这样可在发生意外时通过起落架的变形、损坏吸收一部分能量，从而保护机体主要结构和机身内载荷不因冲击过大造成损伤。这一点与飞行训练用的练习机的设计思路不同：练习机需要在一天反复使用，因此起落架须皮实耐用;而航拍机一般不要求很高的飞行出动频次，因此起落架的设计倾向于保证机载设备的安全。同时，强度较小的起落架还有助于减重。（未完待续）