紙飛機飛行原理解析,放飛調整方法大全:飛得更高更平穩

像鳥類一樣,飛機要想飛上藍天就要依靠翅膀。但是和鳥類不同的是,鳥類的翅膀產生升力是依靠扇動空氣利用反作用力產生升力,飛行中又依靠扇動翅膀製造渦流產生推力,總之鳥類的飛行方法極其複雜。我們人類從達芬奇開始就感到研究和模仿鳥類飛行非常困難,所以後來乾脆另闢蹊徑,完全依靠速度讓自己的翅膀產生升力,結果後來居上,現在我們飛得比鳥類更快、更高、更遠。 機翼利用速度產生升力的原理不得不提到帕努力原理,根據這種理論只要讓機翼上表面的氣流速度大於下表面的速度,機翼就會因為上下表面氣流速度造成的壓力差而產生上吸下推的的升力。為了使機翼上表面的氣流速度比下表面快,帕努力原理要求機翼上表面要凸起,延長氣流流經翼面的距離,迫使氣流加速。不過很多戰鬥在風洞實驗室的一線航空工作者對這一理論表示了質疑,他們提出了一種機翼後緣“真空吸力”的說法,並聲稱是根據風洞實驗得出的結論。這些爭議我們就不討論了,紙飛機最怕的就是風,所以也不可能進入風洞做實驗用實踐去檢驗真理,更重要是紙飛機沒有動力,自由滑翔的過程就是不斷減速的過程,所以利用速度產生的升力對於紙飛機來說實在是微不足道。不過即使如此,紙飛機仍然可以折出帕努力原理機翼(見圖1)。

航模|紙飛機飛行原理解析,放飛調整方法大全:飛得更高更平穩

鳥類控制飛行的方法仍然是扇動翅膀,靠用力的不同改變飛行姿態。我們人類發明的飛機既然依靠機翼的形狀影響氣流速度產生升力飛翔,那麼控制飛機飛行自然也是靠改變機翼的形狀來完成。為了改變機翼形狀,設計師們在機翼上安裝了很多機關——可以活動的小機翼(見圖2)。

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圖2是紙飛機工作室以FC-1梟龍殲擊機為原型機推出的仿真紙飛機模型,這是最為常見的單垂尾常規空氣動力佈局,也是飛機控制技術最具有代表性的氣動佈局。不過FC-1梟龍殲擊機的水平尾翼是全動的,而紙飛機這點比較遺憾,因為摺紙藝術的先天缺陷,任何部位都不可能是全動的,必須要與機體相連,所以我們只得落後一步,在水平尾翼上設置襟翼來代替全動尾翼控制飛行。

手持紙飛機的時候,首先要解決的就是起飛問題,或者說是投擲問題。那麼我們研究飛機控制技術就從起飛說起吧。有動力的飛機是在達到一定速度後,調高水平尾翼後緣壓低機尾抬高機頭增大迎角起飛的,這就說明一個問題,水平尾翼的作用是用來控制飛機縱向平衡的,或者說是用來控制機頭是向上還是向下的。這裡要強調一點,對於沒有動力、沒有遙控完全靠自由滑翔的紙飛機來說,要想飛得遠,留空時間長,調整到儘量接近水平的飛行姿態是最重要的,所以紙飛機的“控制”實際上是“抑制”的概念。我們投擲紙飛機時調整水平尾翼的目的一定是用來抑制機頭向下的,而不是為了追求機頭向上的。例如投擲出去的紙飛機如果機頭向下栽,那麼我們就要調整水平尾翼的襟翼向上翹起,產生下壓機尾的力來平衡機頭下沉的力。

如果擲出的紙飛機迎角大,向上飛,那麼後果一定是失速下栽。如果飛行有一定高度的話,失速後的紙飛機會在下栽過程中重新獲得速度再次滑翔,但是後果一定會像上次一樣,會繼續上仰——失速——下栽——上仰……。解決的方法是調整尾翼襟翼向下,用抬高機尾的力來平衡機頭上仰的力。

掌握了水平尾翼控制技術,就等於是可以控制飛機保持平飛的姿態了。同時為了體驗樂趣,我們還可以調整水平尾翼來模仿特技動作,例如向上縱向轉一圈,看看半徑是多大。這可是空戰時很重要的一個性能,誰轉的半徑小,誰就會擺脫尾追的敵機並可以飛到敵機後面開火。通過模仿這種特技動作,也可以體會到各種空氣動力佈局的特點,紙飛機工作室推出的三種國產機型中,殲10猛龍是轉彎半徑最小的,因為無尾鴨翼佈局不但可以用主翼的副翼起到水平尾翼的作用,還可以藉助前面的鴨翼抬高機頭,雙管齊下,繞這一圈的半徑就會大大減小。

解決了控制平飛的縱向問題,現在研究控制橫向平衡的問題。很多入門的航模愛好者一定認為控制橫向也就是水平方向的是垂直尾翼的方向舵,這種想法不完全正確。方向舵確實可以影響橫向方向,但是影響力很小,或者說只能用方向舵稍微改變水平方向,如果調整太大的話,飛機會先橫向轉然後就會側傾,這是因為紙飛機沒有動力,滑翔的過程其實是降落的過程,所以機頭總是有一點點向下的角度的。所以有了這個向下的角度,這時方向舵影響的就不單單是水平方向了,而是也要影響到垂直方向了,這時飛機就要向下低頭了。其實,即使有動力的飛機使用方向舵時,在偏航的同時也會產生側傾的力,因為方向舵在機體上方,產生的力肯定不是平衡的,如果方向舵像導彈那樣上下對稱,就沒有這種情況了。所以正確的理解是,方向舵是用來控制縱向穩定性的,或者說是修正偏航用的。利用方向舵也可以轉向,但是轉向的半徑會很大,因為方向舵只能微調。如果飛出去的紙飛機向左飛,那麼我們就調整方向舵讓它右偏航來平衡左偏航的力。

如果紙飛機向右偏航,我們就反之,調整飛機向左偏航來平衡右偏航的力。

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知道如何控制水平尾翼和垂直尾翼了,我們就可以保證紙飛機水平並直線飛行了,可是我們要轉彎怎麼辦?例如參加這樣一個比賽,飛出去的紙飛機要自己轉回來。這有點複雜,我們研究轉彎之前先搞明白如果讓飛機橫向旋轉,這就要調整到副翼了。紙飛機有副翼即是很了不起的一件事,也是一件稀鬆平常的事。如果使用其他材料製作模型,例如塑料、金屬、木材,要想有副翼功能,恐怕成本要翻上百倍千倍萬倍,而對於紙飛機來說,僅僅是剪一刀罷了。所謂副翼就是一個向上另一個向下總是向相反方向轉動的小機翼,他的作用就是用來旋轉。如果讓紙飛機順時針旋轉,就要將右側副翼向上調整,左側副翼向下調整。

有時因為製作的原因,兩個主翼形狀會有差別,造成升力不同,會被動的旋轉,這時就可以通過調整副翼來反向平衡旋轉,以達到平穩飛行的姿態。例如如果摺好的紙飛機飛出去後順時針旋轉,那麼我們就將右側副翼向下調整,左側副翼向上調整,讓紙飛機產生逆時針旋轉的力來平衡飛行姿態。

掌握旋轉的要領了,就可以考慮如何控制轉彎了。如果向左轉向飛應該如何調整呢?我們試想一下,如果這時讓紙飛機逆時針旋轉,當然不是連續不停地轉,而是略微向左逆時針旋轉,也就是向左傾斜,這靠調整副翼完成,但這時機頭並沒有轉向,仍然直飛,那麼我們再調整哪個小機翼才能實線轉向呢?答案是有動力可遙控的飛機是調整水平尾翼和方向舵共同作用,而對於自由滑翔飛機來說,這時只能依靠水平尾翼。通過遙控可以控制副翼、方向舵回位,所以可以根據實際情況不停調整、復位,而對於自由滑翔的紙飛機來說機翼調整後就回不來了,同時由於沒有持續動力,速度會一直下降,前面說了,這時是絕對不能調整方向舵的,不然只會加速機頭下沉。因此,對於紙飛機來說,要想水平轉向並不至於轉彎後高度下降過大,就只能通過調整副翼和水平尾翼來實現平穩的轉向。這一過程可以這樣理解:紙飛機擲出——側傾(副翼造成輕微旋轉)——向斜上方爬升(水平尾翼作用)——慣性動力消失開始滑翔——側傾角度減小——斜上方爬升角度減小——平穩盤旋。調整副翼和水平尾翼配合轉向的方法的關鍵就是合適的角度,只要側傾角度、爬升角度適當,轉向就會非常平穩。

現在我們研究的問題越來越有深度了,要調整襟翼了。所謂襟翼就是動作方向一致的小機翼,要麼同時向上,要麼同時向下,襟翼一般靠近機翼根部。後緣襟翼的主要作用就是改變機翼形狀增加彎度,加大氣流壓力,例如起飛時放下襟翼使得機翼下面壓力劇增,從而產生較大升力協助起飛。降落時放下襟翼可以在速度降低的同時保證足夠的升力從而平緩降落,而且降落後加大襟翼下放角度還可以起到減速板的作用。在空中飛行時,襟翼的作用就是在可以輕微甚至不改變飛行姿態的情況下改變飛行高度。後緣襟翼對大後掠角機翼的紙飛機來說特別有用,因為大後掠角雖然可以大大減少阻力投擲得很遠,但是不適合滑翔,又不能像有動力的飛機一樣大迎角飛行,所以這時如果有襟翼協助把阻力轉換為升力,那麼對於增加滑翔時間是大大有利的(見圖3)。

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圖3

後緣襟翼往往配合前緣襟翼同時動作,這樣可以同時在機翼前緣和後緣同時改變機翼彎度改善氣流效果。不過前緣襟翼的主要作用是大迎角飛行引導氣流防止失速,而大迎角飛行只能用於有動力的飛機,所以前緣襟翼對於紙飛機來說是絲毫起不到任何好作用的。相反,放下前緣襟翼反而會產生負升力,損失飛行高度。

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據說英國早期的航模母艦上的艦載機可以上翻副翼,徹底作為減速辦使用,我想當美國人發明了利用“絆馬索”減速的方法之後,襟翼的這種作用可以退休了。不過襟翼上翻可以起到降低飛行高度的作用,只不過這點對於始終和地球引力抗爭的飛機來說在實際應用中實在沒什麼意義,所以我們只可以用紙飛機做實驗,看看襟翼上翻損失高度帶來的災難性後果,以後設計真正的飛機時可就沒這個機會了。

還有一個小機翼沒有談到——腹鰭。腹鰭是為了增強控制縱向穩定的,特別是對於作戰飛機由其重要。作戰飛機往往要大迎角飛行,這時流經主翼的氣流到了垂直尾翼處往往就亂了套,垂直尾翼的作用就會大大降低甚至徹底消失。說道腹鰭就不得不提到雙垂直尾翼,從理論上來說,垂直尾翼面積越大控制力越好。雙垂尾不但控制面積翻倍,與機體鏈接強度也翻倍,自然效果更好。雙垂直尾翼再加上腹鰭配合大迎角做機動動作時,就會保證至少有一個垂尾和兩個腹鰭在起作用,縱向控制的能力就會遠遠高於單垂尾飛機,這就是先進的重型戰鬥機為什麼多采用雙垂直尾翼的原因。

說到這裡告一段落,上面談到的只是基礎知識,飛機控制技術遠遠不止這些,還有新的控制技術在不斷產生。不過掌握了以上控制要領,那麼自己動手製作的仿真戰鬥機紙模型就會變成一架真正的戰鬥機,在您的手中就可以飛得更高、更遠,並能夠隨心所欲作出各種機動動作。

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本來簡單好玩的紙飛機讓我們搞得越來越複雜了,不知道我們是否給您帶來了困惑。難道不知道上述這些方法就沒法玩紙飛機了嗎?當然不是!紙飛機工作室推出的紙飛機模型都沒有直接設置副翼、襟翼,只要製作過程中沒有大的誤差,無需調整即可平穩飛行。我們的紙飛機圖紙都預留了襟翼副翼的標記線,喜歡技術含量的玩家可以自己裁出副翼、襟翼。不過要提醒的是,紙張的特性是可塑性強,很容易摺疊成形,但是記憶力差,很難回覆原狀。紙飛機模型裁出襟翼副翼後,控制更加靈活,但是穩定性會下降,這點類似於遙控飛機中的入門模型和運動模型的差別,所以玩紙飛機也需要循序漸進。幸好紙飛機成本低廉,所有關於飛機的知識,都可以輕鬆在紙飛機上獲得,這是紙飛機模型的最大優點也是紙飛機的永恆魅力之所在。


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