竞速船模设计及制作要点

摘要：竞速船模是是一种常见的船模类型，为了达到较高的速度，竞速船模在制作之前应预先进行设计，然后再制作，这样才能够提高制作成功率。对竞速船模设计的一些思路进行探讨，以供参考。

关键词：竞速;船模;设计;

船模是模型制作爱好者非常喜欢的一类模型。从制作目的上讲，船舶模型大体上分为两类，一类追求外观的逼真度，注重的是尺度均匀、外观漂亮，船舶外形、上层建筑和甲板设备基本上按照等比例缩小，给人以一种美感;另外一类追求的是水面速度，要求相对于船舶主尺度有相对较快的速度，对于船舶外观及上层建筑和甲板设备没有太多要求[1,2]。

本文对竞速类船舶模型的设计和制作提供一些思路，供大家参考。

1 竞速船模设计要素

竞速船模追求的是较高的航速，应当把速度作为主要性能加以考虑，其他性能满足基本要求即可。影响模型速度的因素有很多，下面分别加以考虑。

1.1 影响船模速度的因素分析

竞速船模追求的是速度，所以在船模设计时应当把快速性作为设计要点。当航速稳定时，在不考虑传动效率的情况下，根据基本物理定律，可得:

式中：Popt为电源最大输出功率;Vmax为电源最大输出功率所对应的船模最大速度;f(Vmax)为船模所对应的阻力。由于船舶阻力是随航速可变的，所以f(Vmax)是最大航速Vmax的函数。

从上面的功率公式可知，虽然影响船模速度有很多复杂的因素，但总的来讲应当从船模的动力和航行阻力两个主要方面进行分析。

航速与船重密切相关，当船模自重较大时，将船模加速到一定速度必然需要消耗更多的电源能量，而且较重的船模会导致吃水和湿表面积增大，也会产生更多的阻力。综合以上因素，应当尽量降低船模重量，制作船模时应当尽量采用较轻的材料，比如玻璃纤维或轻木，如果对外观没有要求或重心过高时，甚至可以不制作上层建筑以满足快速性及稳性要求。

1.2 动力电源的考虑因素

竞速船模一般采用电力驱动，尽量提高电源的功率可以在一定程度上提高航行速度。有时候制作船模是为了竞赛，所以一般都要指定电源，这样电源功率相对就被限制了。常见的电源有4.2 V动力锂电池和1.5 V碱性电池两种，根据需要进行串联升压、并联分流。

考虑电源功率的组成，有下面功率公式:

式中：P为电源实时输出功率;U为电源电动势;I为电源实时电流;R为电动机及电路回路电阻;r为电源内阻;P0(I)为电机有效驱动功率。

研究上面的功率公式可知，如果输出电流过小，会导致驱动电机功率不足，浪费电源性能;如果电流过大，则线路功率损失比较大，降低电源输出效率，同时电源容易发生过热、着火、爆炸等危险情况，因此必须研究电源的输出功率曲线，了解输出功率与电流和电源内阻的关系，找到电源最佳输出功率所对应的电流[3]。

1.3 驱动电机的选择

驱动电机的选择要与螺旋桨的选用统一考虑。

1.3.1 电源直接驱动电机

如果采用电源直接驱动电机的方式，在确定电源最佳输出电流时，需要考虑最佳输出电流对应的驱动电机转速与螺旋桨转速的配合，因为每一种螺旋桨存在一个与最佳推进效率对应的最佳转速，转速过低则螺旋桨不能够提供理想的推力，转速过高则会降低推进效率，从而浪费电源功率。

对于驱动电机，其额定功率对应额定电流。电流过大会导致驱动电机过载发热，电流过小则驱动电机转速降低导致驱动功率不足，可能使螺旋桨的转速达不到理想转速。

可以考虑根据船模航速估算船模阻力，由阻力和航速估算所需电源功率，然后检验电源输出电流与电机电流能否匹配。如果不能匹配，需要采取一些措施加以协调。

1.3.2 电源经升压电路提供动力

为了尽量提高船模航速，理论上应该使用较大功率的电机，但大功率电机往往需要较高的电压、电流，因此当电源额定电压较低时不容易找到匹配的电机型号。

此时可以考虑通过升压电路模块，将电源电压提高到电机额定电压，使升压之后的电压、电流满足电动机的输出功率需要。升压电路尽管有一定的功率损耗，但如果电源功率足够仍然可以向电机提供足够电流。如果升压之后，电流不能满足电机工作要求，说明电机功率过大，当电源功率不能提高时需要将电机更改为低电压、小电流电机。

1.4 螺旋桨的选择

螺旋桨推力与叶片数量、盘面比、转速等参数有关。叶片数量的选择主要考虑振动情况或高速产生的空泡情况。对于船模来讲，螺旋桨应尽量保证安装牢固以减少震动，尽量采用三叶桨，如果振动过大应找到原因加以解决，或者牺牲推进效率采用多叶桨。

相对于船模主尺度，螺旋桨存在一个最佳直径，螺旋桨的直径不是越大越好，也不是越小越好，船模制作时一般需要通过多组实验来找到对应最大速度的最佳直径。另外螺旋桨安装时要考虑尾部伴流情况，注意埋深，并控制好螺旋桨与尾部船体的间隙。

1.5 动力的传递

动力传递过程中也会有功率损失，所以在可能的情况下应尽量降低传动级数。

当螺旋桨转速与电动机转速相匹配时，当船模速度达到最高，螺旋桨的转速也达到最佳转速，此时螺旋桨可以通过传动轴与电动机直接相连。

当转速匹配困难时，可以考虑以下解决方案：第一种是通过升压电路将电源电压与电动机电压电流匹配，第二种可以考虑通过微型变速箱进行转速匹配，当电源正常输出功率时，通过变速箱使螺旋桨刚好达到最佳转速。

1.6 船型的选择

尽管船模在设计时优先考虑快速性，但是船模的其他性能在船型设计时也必须足够的重视，以避免一些意想不到的结果。

1.6.1 保证船模的稳性

由于船模在制作前船壳体的重量以及电源、电机、螺旋桨等设备的重量、重心不易估算，所以在设计和制作时应充分考虑设备的尺寸、体积以及安装位置，尽量降低重心高度，设法改善稳性。

当稳性不易保证时，可以考虑采用双体船等稳性较好的船型，但双体船的阻力效果也不一定好。另外双底船很可能会配置双螺旋桨，双螺旋桨推力的协调配合会成为难点，另外双螺旋桨的推进效率一般会低于单桨船。基于以上因素，是否采用双体船型要综合考虑稳性与快速性。

1.6.2 保证船舶有正常的浮态

浮态不佳会导致阻力偏大或或螺旋桨达不到最大推力，从而使船舶的最大航速不稳定。

根据冯毅等对船模快速性试验不稳定现象的研究，小型船模阻力的不稳定与模型周围水流流态有关[1]。船模航行时实际上会存在层流现象，从而导致阻力不稳定;在航速增加时船模会有一定的尾倾现象，使螺旋桨的伴流存在层流、紊流混合的情况，从而导致阻力不稳定。从微观上分析，若局部雷诺数低于下临界雷诺数时发生的流动为较为稳定的层流，若局部雷诺数高于上下临界雷诺数时发生完全的紊流，若局部雷诺数处于上、下临界雷诺数之间时是不稳定的。所以应保证船舶航行时的正常浮态。

浮态的调整相对比较简单，可通过调整船模设备的前后位置来实现。如果调整有困难就不得不增加配重，但增加配重后会消耗电源的功率，而且必然会导致流体阻力的增加。

1.6.3 船模型线要合理

船模型线表征了船模的光顺度，直接决定了水动力性能及阻力的大小，因此应作充分的研究和试验。

实船运动过程中的雷诺数很大,船舶周围多为紊流，然而船模由于尺度较小，自首部一段距离存在层流运动。根据相关研究，当船模水线长度小于2米时其层流现象较为严重[2]。根据闫秋莲等对不同船艏形式船模阻力试验研究，不同船艏形式下的船模摩擦阻力曲线变化不大，由于船模艏部形状的变化意味着船模的湿表面积也发生了相应的增加或减少，会在小范围内改变船模艏部的摩擦阻力，而船艏型线变化对船模压差阻力的影响较大，制作球鼻首使船艏适当外延能使船模压差阻力明显减小。但是，随着航速的增加，船模航行姿态发生变化，会产生抬艏现象，船艏对阻力影响减小，因此船模艏部型线的变化对阻力的改变会受到航速的影响[3]。

对于尾部型线，主要是会影响螺旋桨的推进效率。尾部型线设计时，应充分考虑尾部型线与螺旋桨的配合。船模尾部吃水应保证螺旋桨的埋深以保证螺旋桨的推进效率，螺旋桨的轴线应尽量平行于水面，以保证推力的方向。当吃水不够时螺旋桨安装困难，有时候不得不加大螺旋桨轴与水面的夹角，这种处理方法虽然保证了螺旋桨埋深，但推力有垂直分量，导致损失了部分推进力，所以需要综合考虑效果。

另外，船模的型线应保证内部足够的空间。船模的内部结构除了应保证船体的强度外还应保证有足够的空间，以便于安装电源、电机和传动系统，当安装不方便时，还需要在内部加设骨材或安装平台板。

1.7 航向控制

航模的航向控制在多数情况下是有必要的，比如航程较远或者航道较窄需要及时调头等情况。航向控制设备大多数使用船舵，由于船模较小，普通舵效率比较高，所以要加以注意，而且舵一般都要通过无线遥控形式进行操纵，需要设计电力驱动装置和无线遥控装置。

当航行距离不远、有可靠的保护措施时也可以不装舵设备，此时应保证船模沿直线航行，当航向稳定性不好时可以考虑安装固定舵或侧舵，一般都要通过实验进行调试。

2 结语

为了提高航速，竞速船模在制作之前进行详细的思考和设计是非常有必要的，本文从推进动力和船模阻力两个方面，分析探讨了影响船模设计制作的几个重要因素，总的来讲就是要协调好电源、电动机、螺旋桨和船体型线相互之间的配合。

参考文献

[1] 冯毅，范佘明.船模快速性试验的不稳定现象分析[C].第二十七届全国水动力学研讨会文集(下册)，2015:399-406.

[2] 符亮.新型滑行艇船模阻力试验及附体设计[J].中国水运(下半月)，2015,15(12):5-6.

[3] 闫秋莲.不同船艏形式船模阻力试验及数值计算[J].应用科技，2018,45(5):1-5.