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应张文义老前辈委托发表这篇关于自由飞模型技术贴。
如何提高自由飞模型“吃气流”的能力
自由飞模型飞机，当你出手或脱钩后,模型飞机与人之间已无任何关系,全凭模型自身的能力在大气中飞行。一 般来讲, 气象条件是比较复杂的,很少有静止的时候，常常会遇到上升气流或下降气流。在上升气流中飞行，模型飞机也会飞的很好。反之,模型飞机遇到下降气流，会很快落地。一架性能优良的自由飞模型，除了要有良好的爬升和滑翔性能外，还应具备非常棒的“吃气流”能力。针对自由飞模型“吃气流”的问题，这些都是人们至今一直在钻研、探索的问题。 何为“吃气流”能力? 这个话题,无论是橡筋动力模型飞机,还是其它自由飞模型模型都是一个共同的话题。 自由飞模型的动力来源有3种，一是牵引起飞，二是橡筋动力，三是活塞式航模发动机。当模型飞机被掷出或脱钩升空后，便处于不受人控制状态，进入自由滑翔。这也是该项运动得名自由飞的原因。在自由滑翔阶段，模型如果能在不同气流情况下，依靠自身设计优势“主动”地做出调整，便被称为“吃气流”的性能。 为了获得更长的留空时间，运动员往往希望模型在遇到上升气流团时，以小半径模式盘旋，尽量不飞出有上升气流的区域；在遇到下降气流团时，以大半径模式盘旋，尽量降低下沉速度，或直线飞行逃出有下降气流的区域。在整个过程中，无需对模型进行人为调整。也就是说，一架性能优良的自由飞模型，其盘旋半径应能根据不同的气流状态而变化。要想达到这个目的，必须对模型进行科学的设计制做、调整。 “好扭”对“吃气流”的影响 在讨论这个问题之前，先熟悉一下几个与翼型有关的空气动力学名词。 1.升力系数与阻力系数 升力和阻力都是飞行器在与空气有相对运动时产生的。由于自由飞模型的气动设计多为大展弦比固定翼布局，因此其所获得的升力绝大部分由机翼产生。通常升力的计算公式如下： L=1/2ρV2S Cl 在公式中，ρ代表模型所在飞行高度的空气密度，V代表模型空速，即它相对于空气的飞行速度。S代表模型升力面的平面投影面积。Cl则代表翼型的升力系数。 虽然在升力的计算公式中，升力系数其数值的大小与翼型的迎角、相对厚度、相对弯变及雷诺数等有关。如果想通过细致的调整提高自由飞模型“吃气流”的能力，就得明白机翼迎角对升力系数的影响。 迎角，指飞行器机翼翼弦相对来流方向的夹角。利用电脑软件进行运算或风洞試验，均可得到机翼升力系数的特性曲线（注：文中所有特性曲线均是笔者委托西北工业大学硕士研究生根据我常年使用的wy6560翼型绘制的，与实际尚有差距，这里仅用作定性分析，）。图4中的横坐标为翼型迎角（α），纵坐标为升力系数（Cl）。可以看出，一开始随着迎角增大，升力系数不断增加；在飞行器处于临界迎角时，升力系数处于最大值Clmax；此后随着迎角增大，升力系数急剧下降。如果把升力系数的变化套入升力公式，会发现当超过临界迎角后，飞行器获得的升力急剧减小,而阻力剧增，进入了失速（stall）状态。 上左图wy6560翼型—升力系数特性曲线 上右图wy6560翼型—阻力系数特性曲线 阻力是与飞行器运动方向相反的空气动力，会阻碍飞行器向前飞行。计算公式如下： D=1/2ρV2S Cd 在正常飞行时，升力与阻力，二者成正比，即随着升力的增加，阻力不断增大。那么机翼迎角对阻力系数有什么影响呢？利用电脑软件运算或风洞试验，均可得到机翼阻力系数的特性曲线。图5中的横坐标为机翼迎角（α），纵坐标为阻力系数（Cd）。可以看出，一开始随着迎角增大，升力系数不断增加，阻力系数相应增加；超过临界迎角后，因飞行器失速，阻力系数急剧增加。 2.升阻比与有利迎角 升力系数与阻力系数的比值，被称为升阻比，是衡量机翼翼型性能的一个重要指标。图6中的横坐标为迎角（α），纵坐标为升阻比（Cl/Cd）。可以看到，一开始随着迎角增大，升阻比不断增加；超过某一迎角后，升阻比缓慢下降。而作为分水岭的这一迎角，称之为有利迎角。
上图 wy6560翼型的升阻比特性曲线 上图wy6560翼型的极曲线 升阻比最大时的机翼迎角，称之为有利迎角。为了寻找某一翼型的有利迎角，也可利用极曲线图。以横坐标为阻力系数（Cd）、纵坐标为升力系数（Cl），在平面坐标系中绘出不同机翼迎角下二者的变化曲线。从这个极曲线图（图7）中，能够迅速查出有利迎角，只要在极曲线上以坐标原点为端点，做一条与极曲线相切的切线，切点所对应的迎角就是有利迎角。可以清楚地看到，不管是升阻比曲线还是极曲线图，描绘出来的线条都存在一个明显拐点。在拐点之前，即在有利迎角之前，随着迎角增大，升阻比上升；在拐点之后，即在有利迎角之后，随着迎角增大，升阻比下降。这一点非常重要，笔者是根据这一规律进行分析的。下面就分析一下。先看看什么是“好扭”。 3.认识“好扭” 在认识自由飞模型“好扭”之前，介绍几个知识点，方便大家理解之后的叙述。自由飞模型在爬升改出后，一般调整以向右盘旋（顺时针方向）的姿态滑翔（图8）。故文章中提到的内翼，指右侧机翼（模型机头向前、机尾朝向自己时，位于右边的机翼），外翼则指左侧机翼。模型的盘旋半径，本应描述是个长度单位，但自由飞圈内模友通常习惯用其盘旋一周的时间,指代半径的大小。
上左图 自由飞模型在被掷出或脱钩后以向右盘旋（顺时针方向）的姿态滑翔 上右图 针对自由飞模型，如果外翼翼尖的安装.角（一0.5度）略小于内翼翼尖（0°）就属于“好扭”。 “好扭”也是自由飞模型爱好者约定俗成的一种说法。由于自由飞模型通常使用了大展弦比机翼，机翼的外翼尖安装角有意在设计制作过程中,相对小于内翼尖。当这种变形提高了模型的盘旋滑翔能力时，即被称之为“好扭”，反之是“坏扭”。 根据笔者经验，两侧机翼翼尖的安装角差不宜大于0.5°（图10）。一般在制作国际级自由飞模型滑翔机时，若让外翼翼尖的迎角为负值，内翼翼尖的安装角为0°，使用效果比较好。下面谈一下“好扭”的作用。 图10 为了便于观察内外翼，运动员有意让两个翼尖颜色不同。 4.“好扭”助力“吃气流” 本文开头就讨论了理想的自由飞模型，应能在不同气流状况下及时调整自身的盘旋半径，学会“吃气流”。那么“好扭”的设计，又是如何让模型擅长“吃气流”的呢？ 首先在静气流中，一架设计合理、调整精准的自由飞模型，其机翼迎角应理想为有利迎角。此时飞行器升阻比最大，有利滑翔性能。这也是有经验的运动员多选择在静气流下调试模型的原因之一。 遇到上升气流时，模型迎角将增大（图11），根据特性曲线可知，此时升阻比处于逐渐下降阶段。“好扭”的存在，让模型内翼（尖）安装角相对略大于外翼（尖），造成内翼（尖）受到的阻力稍大于外翼（尖），致使盘旋半径变小。这样，模型就更有可能留在上升气流团中。 而遭遇下降气流时，情况正好相反。此时模型迎角减小（图12），根据特性曲线可知，其升阻比处于上升阶段，当小于有利迎角时。“好扭”的存在，反而导致内翼（尖）受到的阻力稍小于外翼（尖），致使模型盘旋半径变大，或改成直线飞行。这样一来，模型就更有可能逃出下降气流区域。 综上所述，制作时有意让机翼产生有利变形，可以提高模型“吃气流”的性能。此外，自由飞模型用于竞时项目，多以侧滑姿态飞行。盘旋时“好扭”的存在，能够避免模型产生过大坡度飞行，有效减小其下沉速度。 上左图 遇到上升气流时，模型的实际迎角增大。 上右图 遭遇下降气流时，模型的实际迎角减小。 垂直尾翼对“吃气流”的作用 既然“好扭”对模型“吃气流”能力的帮助如此大，是不是有了“好扭”就万事大吉？答案是否定的。一架自由飞模型的“吃气流”能力，是其综合性能的体现，涉及到方方面面。除了正确制作机翼的“好扭”外，模型整体侧面积对“吃气流”能力的影响也很大。模型横侧向的压力分布要平衡，垂直尾翼的面积大小要合适（图13）。否则再合理的“好扭”也不起作用，甚至起反作用。 在实际飞行中，模型随风而下。我们会发现,在同一个地点起飞的模型,往往在向下风处飘飞的过程中,最后的落点往往差距会很大。有的偏下风处左的方向，有的则偏右方向。这是因为模型飞机侧面积压力分布不平衡的影响。这里也有一个围绕重心力矩的平衡问题。人们常对俯仰的平衡很重视,调整也很仔细。却往往忽视了横侧力矩的平衡。最有效的办法就是细调垂直尾翼的面积。 上升气流团会随着风向而向下风方向移动。如果垂直尾翼面积偏大，那么模型在左半圈的飞行时间大于右半圈，顺风下滑时会往左偏；反之，如果垂直尾翼面积小了，那么模型在右半圈的飞行时间大于左半圈，顺风下滑时会往右偏。不管是左偏还是右偏，模型都很容易飞出上升气流团，导致留空时间减少（图14）。想象一下，若是模型在向下风区滑翔时，左、右半圈的盘旋半径一致，就能一直跟随上升气流团飞行了。 当然，任何事物都不是绝对的。无论是“好扭”，还是合理的垂直尾翼面积，都不是万能的。在国内、外的自由飞赛场上，曾多次出现过性能优秀的模型，即使爬升到100多米的飞行高度并平稳进入滑翔阶段后，仍因无法逃出大范围强下降气团或是“电梯式”下降气流而折戟。所以,作为一名优秀的自由飞模型运动员，还得学会看气流。这又是一个蕴含了很多知识的命题了,在这里不再进行讨论。 上图 上升气流团随风移动时，不同面积垂直尾翼的自由飞模型会往不同方向偏航。
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发表于 2020-5-18 20:13
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发表于 2020-5-19 08:10
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