方舟90外型定型但推倒重来：比赛规则禁用木材，全部改用瓦楞纸
方舟90限时载运飞行器的外型设计基本定下来了——但研读比赛规则后发现：机翼和机身只能使用瓦楞纸，原有木制框架设计全部作废，结构从头重新开始。
一、外型定型：方舟90长什么样
经过多轮气动仿真和结构迭代，方舟90的外型基本定下来了：
- 机翼：矩形直翼，上单翼布局，翼展约2200mm，弦长400mm
- 尾翼：双垂尾布局，平尾两端各加一片垂尾，提高方向稳定性
- 机身：矩形截面机身，机头略圆，货仓在中段
- 起落架：前三点布局，前轮转向，主轮承重
- 总重量：目标起飞重量约4kg（含载运货物）
从图1的3D模型可以看出，整体外形已经相当完整。机翼、机身、尾翼的比例和位置都经过仿真验证，气动布局没有问题。
外型定型的意义
- 气动布局（上单翼+双垂尾）已经过仿真确认
- 翼展、弦长、尾力臂等关键尺寸已经锁定
- 3D模型已经建好，可以直接用于指导制作
- 但是——外型对，不等于结构对
二、读规则发现的"致命问题"
在外型定型的兴奋中，我们仔细研读了CAADC限时载运项目的比赛规则，发现了一条关键限制：
规则原文（核心限制）：
机翼和机身的主体结构材料限定为瓦楞纸。
木材（包括桐木、松木、轻木、层板等）在机翼和机身中禁用。
这条规则直接判了我们之前所有结构设计的"死刑"：
旧设计：木制框架
- 6道桐木梁（前缘8×8、中间两道10×10、后缘三道6×6）
- 1.5mm层板翼肋
- 3道1.5mm层板立板（抗剪抗扭）
- 桐木机身骨架
- 安全系数15倍——但是违规
新设计：瓦楞纸单体壳
- 瓦楞纸板折成翼型管（D形截面）
- 上下蒙皮+前后缘闭合
- 内部加纵桁防屈曲
- 瓦楞纸机身筒体
- 安全系数7-14倍——合规
三、为什么不能"用纸做一根木梁"？
很多人第一反应是：把原来的10×10桐木梁换成瓦楞纸卷一个方管，不就行了？
不行。瓦楞纸的材料强度只有桐木的1/10：
| 材料 | 弯曲许用应力 | 弹性模量 | 密度 |
|---|---|---|---|
| 桐木 | ~35 MPa | ~5 GPa | ~0.28 g/cm³ |
| 瓦楞纸板 | ~3.5 MPa | ~0.5 GPa | ~0.12 g/cm³ |
| 比值 | 1/10 | 1/10 | 0.43倍 |
如果只是把10×10mm的木梁换成等尺寸的瓦楞纸方管，弯曲安全系数会从15倍直接掉到1.5倍——勉强够用，但没有任何余量，而且扭转刚度几乎为零（开剖面），副翼一打机翼就扭。
核心思路转变
不要用纸去做一根"缩小版木梁"——瓦楞纸太弱了，小纸梁根本不够。
正确做法：让整个翼型截面本身变成那根梁。
一整张瓦楞纸板折成翼型管，上下蒙皮就是梁的上下翼缘，前后缘闭合就是闭剖面。截面惯性矩是10×10木梁的2437倍——虽然材料弱了10倍，但截面大了2437倍，综合安全系数反而有7-14倍。
四、瓦楞纸机翼设计要点
4.1 截面设计：D形闭剖面管
机翼截面用一整张3mm瓦楞纸板折成D形翼型管：
- 上蒙皮：弧面，承受弯曲压应力
- 下蒙皮：弧面，承受弯曲拉应力
- 前缘：圆弧闭合，形成闭剖面，抗扭转
- 后缘：尖角收尾
- 内部纵桁：10×10mm瓦楞纸方管，防止上蒙皮局部屈曲
4.2 矩形截面 vs 三角形截面
翼梁截面形状的选择，我们做了详细对比。同样材料用量（等周长）下：
| 对比维度 | 三角形 | 矩形（四边形） | 比值（三/四） |
|---|---|---|---|
| 材料用量（周长） | 166.5 mm | 166.5 mm | 1.000 |
| 弯曲惯性矩 I | 94,028 mm⁴ | 192,124 mm⁴ | 0.49 |
| 扭转常数 J | 81,225 mm⁴ | 103,440 mm⁴ | 0.79 |
| 局部屈曲应力 | 9.15 MPa | 1.41 MPa | 6.5倍 |
结论：选矩形封闭翼梁
- 弯曲强度高2倍——机翼最核心的失效模式
- 扭转刚度高27%——副翼操纵更灵敏
- 制造更简单——两个直角折比尖角折容易
- 屈曲虽然不如三角形，但也有4.8倍安全系数，够用
4.3 瓦楞方向
瓦楞纸的瓦楞方向（楞纹走向）对强度影响极大：
- 顺翼展方向（楞纹沿翼展）：蒙皮的抗弯刚度主要来自这个方向，必须这样放
- 顺弦长方向（楞纹沿弦长）：抗弯刚度极低，机翼会上下软得像面条
瓦楞方向必须沿翼展方向，这是不可妥协的。
五、机身也要改：瓦楞纸筒体
不仅机翼，机身也全部要用瓦楞纸。原设计的桐木机身骨架同样作废。
新方案：瓦楞纸板卷成矩形筒体，四个角折叠闭合，形成闭剖面管。和机翼同理——闭剖面的扭转刚度远高于开剖面。
机身设计要点：
- 瓦楞纸板卷成矩形筒体，四角折叠粘合
- 货仓开口处加瓦楞纸框架补强（开孔削弱结构）
- 机翼安装点加瓦楞纸加强垫板（传力路径）
- 尾翼安装点同样加强
- P-51风格机头罩可用瓦楞纸层叠粘合
六、推倒重来：工作量清单
从木制框架改到瓦楞纸，不是简单换个材料，而是整个结构设计从头开始。以下是工作量清单：
| 项目 | 旧设计状态 | 新设计任务 | 优先级 |
|---|---|---|---|
| 机翼截面 | 6道木梁+层板翼肋 | 瓦楞纸D形闭剖面管 | 最高 |
| 机翼蒙皮 | 薄膜蒙皮 | 瓦楞纸板本身就是蒙皮 | 最高 |
| 机翼纵桁 | 不需要 | 10×10瓦楞纸方管防屈曲 | 高 |
| 机身结构 | 桐木骨架 | 瓦楞纸矩形筒体 | 高 |
| 货仓门 | 桐木框架 | 瓦楞纸铰链+框架补强 | 中 |
| 翼身连接 | 木梁+螺栓 | 瓦楞纸垫板+粘合 | 高 |
| 尾翼 | 轻木+层板 | 瓦楞纸板折叠 | 中 |
| 舵面铰链 | 胶带铰链 | 瓦楞纸本身折弯做铰链 | 低 |
七、外型不变，结构全变
需要强调的是：外型没有变。
翼展2200mm、弦长400mm、双垂尾、矩形机身——这些外型参数都是经过气动仿真确认的，不会因为材料改变而推翻。
变的只是内部结构——从木制骨架变成瓦楞纸单体壳。飞机看起来还是一样的，但"骨头"完全不同了。
总结
- 外型：定型，不变
- 材料：木材 → 瓦楞纸（规则要求）
- 结构：骨架+蒙皮 → 单体壳（闭剖面管）
- 强度：安全系数15倍 → 7-14倍（够用且合规）
- 重量：基本持平（瓦楞纸更轻，但用量更多）
- 工作量：结构设计全部从头开始
这是一次彻底的"骨子里的重来"。但好消息是——外型不用重新设计了，气动布局不用重新仿真了，3D模型还在。我们只需要把"木骨头"换成"纸骨头"，让方舟90合规起飞。