b)机身平均高度/斜度:
对于一张恒定大小的纸张,实际上纸飞机机身的高度调节了机翼的大小和展弦比,也就调节了升力的大小,调节升力主要为了使得飞机力矩平衡,如上图。
而这里指的机身高度是指如下图这一段距离。
三、机翼
对于纸飞机而言,机翼主要作用是使得空气提供的一部分升力抵消重力,达到让纸飞机能够在一定时间内滞空的目的。
另外,机翼还有和重心位置配合平衡飞机飞行姿态的作用。
所以机翼有两个基本指标:
升力、阻力。
a)机翼的分类以及作用:
1.翼梢小翼:
机翼下翼面的高压区气流会绕过翼梢流向上翼面,形成强烈的旋涡气流,并从机翼向后沿伸很长一段距离,它们带走了能量,增加了诱导阻力。
翼梢小翼就是用来消弱这种阻力的,从而让纸飞机能够更远。
翼梢小翼效果如下图所示。
2.襟翼:
安装在机翼后缘附近的翼面,是后缘的一部分。
襟翼可以绕轴向后下方偏转,从而增大机翼的弯度,提高机翼的升力。
但是由于纸飞机无动力,所以设置襟翼只会增大飞行前进方向上的阻力,不作考虑。
3.尾翼:
对于纸飞机而言,尾翼主要起方向安定(尤其是水平方向)的作用,使得纸飞机能够在相对稳定的方向上飞得更远。
A.垂直尾翼:
基本满足尾翼功能
B.水平尾翼:
除了垂直尾翼所满足的功能之外,水平尾翼还能减少机体(尤其机翼)的上下震动,从而减少阻力。
但一般设置之后会导致机体重心后移。
b)机翼垂直方向上所成角度(飞行状态):
主要影响升力以及横向平稳性
i.Y型【上反角】:
由于竖直方向上的投影面积小了,产生的升力会有所下降,但是机翼两侧的气流会增强,这样形成了一道“气流墙”,飞机左右摆动能有效减小,方向性较好,但滞空时间缩短
ii.T型【平】:
由于竖直方向上的投影面积最大了,产生的升力也最大,但是由于水平方向上缺乏控制的力,所以一般左右摆动或者偏移明显,但滞空时间长
iii.倒Y型【下反角】:
有两个严重的问题,一方面,是当机翼下折之后,气流进入机翼下方的量大幅度减少、从机翼后方流出的速度却可以很大,升力不足,滞空时间很短。
另一方面,机翼下折之后,纸飞机的重心在机体之外,只要稍有(甚至没有)扰动就会发生完全横向翻滚,机体完全反过来,消耗大量动能,迅速坠落。
但这种布局对于一个不需要过大稳定性的格斗战机来说却是可以提高机动性能的。
b)机翼在水平方向上所成角度:
由于纸飞机的折法限制,纸飞机绝大多数情况下是后掠翼,而后掠的程度,在展弦比上有一定的反映,故不赘述。
c)展弦比:
机翼翼展和平均几何弦之比,常用以下公式表示:
λ=l/b=l^2/S。
这里l为机翼展长,b为几何弦长,S为机翼面积。
如果机翼面积相同,那么只要飞机没有接近失速状态,在相同条件下展弦比大的机翼产生的升力也大,从而使得纸飞机能够有更大的航程,这也是DC-03型有较大飞行距离的原因之一。
至于展弦比小的设计,一般是针对超音速飞机,以减小波阻,对纸飞机而言,减小摩擦阻力的意义更大。
c)机翼强度:
机翼强度对纸飞机来说影响很大。
i.起飞阶段:
由于一般纸飞机投掷速度较大,而当机翼缺乏将强的机械强度的话(如简易型),往往会出现变形,在完成投掷起飞后的一瞬间,形成较大的阻力,缩小了纸飞机的飞行距离。
有适当的机翼强度可以让飞机有一个更大的起飞速度。
ii.飞行阶段:
当纸飞机离开手之后,纸张往往会出现自然舒张,增大了飞机正面受到空气阻力的面积,而有一定的机翼强度,能够减少纸张舒张的程度,减少阻力,增大飞行距离。
分析之后的改进
在分析之后,针对每一个部位,对常见的几种机型进行改造,以备最后一个环节进行试验检查效果。
1、机头:
采用封闭式,增大机翼下方气流量
2、展弦比:
设两种,
小展弦比(展长14cm,机翼面积约:
224cm2,展弦比约为0.875)
大展弦比(展长16cm,机翼面积约:
160cm2,展弦比约为1.600)
3、机翼强度:
针对两种展弦比,分别设计:
机翼强度:
由于机翼与机身相对紧靠,出现的机翼震动较小,为了减轻单位面积重量,增大升力,不加强机翼强度。
机翼强度:
由于机翼相对向外延伸,容易出现机翼震动,在机翼前端折叠,加强机翼强度。
4、翼梢小翼:
因为翼梢小翼对机体本身结构影响不大,且能减小阻力,均设置翼梢小翼
5、尾翼:
大展弦比:
因为大展弦比机体的机翼面积相对大,一般不容易出现上下震动,故仅设置垂直尾翼。
小展弦比:
对小展弦比机体的尾翼效果不明确,故分为垂直尾翼和水平尾翼。
6、机翼竖直方向上所成角度:
考虑到尾翼的方向安定作用比较明显,且为了增大升力,加长滑行距离,机翼均成平角。
7、重心位置:
小展弦比:
在机身前11cm/25cm处
大展弦比:
在机身前5cm/14cm处
从而获得三种不同的改进机型,将在下一环节进行测试。
改进之后的对比测试
一、测试目的:
对比改进前后纸飞机的飞行距离、轨迹、姿态的变化,以此检验在第二环节的分析是否正确,要注意的是,该次实验强调在同等环境、投掷条件下对比,不强调飞行距离的远近。
二、测试地点:
紫金港,云峰学院与东田径场之间的排球场
三、测试条件:
室外,黄昏,间歇性1~2级风
四、投掷方式:
于1.60米处,站立姿态,水平投掷,尽可能控制力度一致。
投掷分布区域图(以排球场平面图做参照,由于各种偏移,纸飞机的坠落点是分散的,大致在一定区域,由图中颜色划分):
五、测试信息:
测试机型
飞行
距离
滞空时间
飞行姿态
飞行轨迹特点
简易型(对照)
4.90m
6s
·没有明显横向滚转,除了小幅度俯冲时候,基本保持水平。
·大回旋。
基本上着陆时,机头朝向起点。
·容易上扬。
·前后晃动前进(俯冲-平稳-俯冲-……)。
传统型(对照)
4.10m
5s
·容易横向滚转。
·容易倾斜。
·大回旋。
基本上着陆时,机头朝向起点。
·投掷后迅速上扬,然后缓慢回旋落下。
DC-03型
8.85m
3s
·容易翻滚。
·机翼不稳定,容易出现震动。
·左右摇晃。
·轨迹较直,方向性很好。
·不会上扬。
·一开始水平飞行平稳,但会突然俯冲掉落,几乎垂直掉落。
大展弦比
9.81m
4s
·平稳。
·平稳飞行。
偶然出现滚转。
·但有一定弧度偏转。
·但末端着陆,并非平稳,还是比较急促,类似突然坠落。
小展弦比
(垂直尾翼)
11.45m
4s
·总体平稳。
·但着陆阶段有俯冲动作
·平稳飞行,稍有上扬。
·着陆阶段不平稳,仍有俯冲现象。
小展弦比
(水平尾翼)
13.00m
4s
·平稳性非常好
·但尾翼受力大,每次投掷之后都要重新调整回水平状态。
·平稳飞行。
·方向性较好。
六、存在的不准确因素以及影响(按影响从大到小排列):
1、风力
测试当时为1~2级风,尝试向多个方向投掷纸飞机,发现横向风对纸飞机影响非常大,于是选择逆风和顺风投掷。
但发现逆风投掷,纸飞机反向加速度很大,很快就掉落地面,无法有效试验。
故最后选择顺风投掷。
但是顺风投掷并不能彻底解决问题。
顺风投掷之后,纸飞机飞行过程中由于风速略大于纸飞机飞行速度,纸飞机机尾容易被气流抬升,而纸飞机设计之初就为了调整重心位置将机头质量加重,结果导致飞行过程有机身前倾情况,飞机向下运动,很快掉落。
这就是为什么几种机型的飞行距离与滞空时间都小于平常。
明显的依据是在寝室楼道飞行相同的距离,下降的高度在室内明显小于在室外试验的高度,但由于室内空间有限,不能进行投掷试验,故选择室外投掷。
2、投掷角度
由于纸飞机由作者手动投掷,只能在投掷之前把握尽可能的水平(包括前后水平和左右水平)投掷,但由于投掷动作为瞬间施力动作对于那一瞬间的角度,对作者来说难以保持一致,故会产生不准确之处。
3、投掷力度
几乎对于该次测试中的所有机型,只要使用大力度投掷,都会出现不同程度的不稳定性(明显的上扬、下坠、翻滚等)。
原因是因为投掷瞬间的较强气流导致的机翼变形,使得释放瞬间,机翼自然恢复,导致初始状态不稳定(尤其在投掷的方向问题上)。
但由于设计之初缺乏考虑,导致不同机型的机翼强度不一致,然后使得机型能够平稳飞行的最大初始速度不一致,为了达到对照的目的,只能刻意将各种机型的投掷速度按承受最大投掷力度最小的机型的投掷力度投掷,使得所有数据都与平时的纸飞机偏小。
4、机翼平衡性
在该次测试中发现,尽管有三种机型的飞行姿态是比较平稳的,但是飞行轨迹都出现了不同程度的偏移,实际上,飞行姿态上仍有倾斜,这个与折纸飞机时的控制有关。
然而由于手工折纸,要保证两侧机翼在多次试验中都能对称存在一定难度。
阶段性结论、收获以及展望
经过分析和对比试验,有必要对该阶段进行相应的总结。
一、结论
1、加大机头质量,有利于纸飞机飞行过程中的前后力矩平衡,从而保持机身水平状态,在竖直方向上尽可能不会向上、向下偏移运动。
2、加强机翼强度,对纸飞机的长距离飞行非常重要,实际上对于纸飞机而言,初速度很大程度上决定了纸飞机飞行距离。
3、设置翼梢小翼,能够有效的延长纸飞机的滞空时间,但需要注意两侧机翼的平衡性。
4、尾翼设置为水平尾翼,对飞机在飞行过程中保持水平有非常明显的作用。
5、大展弦比的飞机对投掷的要求非常高(即飞行轨迹与姿态对飞行初始状态非常敏感),只要投放稍有不水平就会出现很大的偏移(滚转、上扬、下坠)。
但大展弦比可以带来较大升力,故大展弦比纸飞机的飞行速度较小,但滞空时间
6、小展弦比的纸飞机方向性非常好,同时由于机翼正面受力面积小,初始的较强气流对其影响较小,对初始状态的要求低于大展弦比纸飞机(这也可以解释为何机动战机的展弦比远小于客运飞机),但其升力较小,故小展弦比纸飞机飞行速度可以更快,但滞空时间稍短。
二、收获
1、了解、掌握了一些飞机的特点以及其背后的原理,并尝试做出探究,得到了一定的验证。
2、体会到了“矛盾”在物理方面也是普遍存在的。
例如大展弦比纸飞机,滞空时间长、方向性差、速度小;小展弦比纸飞机滞空时间短、方向性好、速度大。
3、体会到了“细节”和“规划”的重要性。
在检验阶段中发现,在之前环节的分析和改进存在着很多漏洞,甚至检验本身的设计也是不够全面的。
例如没有注意机翼的平衡性,低估了风力(即使是极微的风)对纸飞机的影响。
规划也是不到位的,导致检验要在黄昏进行,很多测量非常不方便,另外应该尽早考虑测试条件,避免到场才发现测试场所对结果影响很大。
三、展望
在该次探究中,作者曾经尝试使用Gambit和Fluent软件来分析纸飞机的空气流体特点,但遗憾的是,由于时间不足,作者对软件的了解程度只推进到了对模型的构造以及离散化,并不能投入到流体环境中分析,故而不能得到在理想条件下的空气流动情况,受到了显示条件的很多制约。
另外一方面在检验过程中,由于风力等因素影响,并没有测试出改进后的纸飞机最大飞行距离,没能了却一个愿望。
但是,这仅仅只是一个探究的阶段,甚至仅仅只是一次“试探”,并没有深入到更加本质的分析,但我相信,在今后对物理的逐渐深入的了解,能够不断推进我对这个主题的探究,纸飞机一样能远航!