滑翔伞的飞行原理.doc

滑翔伞的飞行原理金陵辟邪 发表于：2004-5-12 16:17:07/b31240/d19452206.htm复制超文本复制一、滑翔伞飞行时的受力情况滑翔伞能够在空中飞行，是当它的翼型伞衣与空气作相对运动时，由于空气的作用在伞衣上产生空气动力的缘故。我们可以看一下滑翔伞在静止空气中作稳定滑翔时的受力情况。此时伞衣上垂直向上的空气动力R与垂直向下的系统的总重量W（飞行员、滑翔伞及所有装备重量之息和）相平衡，滑翔伞沿着向下倾斜的轨迹作等速直线运动。 由于空气动力R和重力W均为矢量，所以我们可以将它们按平行四边形法则进行分解。气动力R可以分解为与滑翔轨迹相垂直的升力Y和与滑翔轨迹相平行的阻力。同理，重力W也可以分解为w1和w2两个分力。此时作用在伞衣上的所有力仍然是平衡的，即Yw1：Qw2。由此可见，升力Y平衡重力分力w1，而使我们能够支持在空中；而重力W2则平衡阻力Q，使滑翔伞在空中沿飞行轨迹作等速下滑运动。如果空气动力R与重力W不相平衡，则滑翔伞在空中就将作加速（或减速）运动，使R与W达到新的平衡为止。由于飞行中重力W是滑翔伞系统所固有的，所以空气动力R是随速度而变化的。二、升力的产生 翼型伞衣在充气后的横截面，即翼型相对于气流运动的情况。当气流绕过翼型上、下表面流动时，由于上翼面弯度大、下翼面弯度小（基本为直线），并与气流方向有一定的角度。根据流体连续性原理和伯努里定理，稳定流动的气流流过上翼面时，受拱起的上翼面挤压作用，流线变密，流速比远前方的气流速度大，故压力降低；而流过下翼面的气流，流线变疏、流速减慢，压力增大。因此在伞衣上、下表面出现压力差，这个压力差的合力即为空气作用于伞衣上的总空气动力R，其方面垂直向上垂直的分力，就是升力Y。决定翼型伞衣升力大小的因素主要有：气流速度、空气密度、伞衣面积、翼型和伞衣攻角等。1气流速度（V）：速度是决定升力大小的一个重要因素，如果没有速度，即滑翔伞与空气没有相对运动，则伞衣上、下表面的压力差为零，所以也就不会产生升力。实验结果表明z在其他条件相同的情况下，升力大小与速度的平方成正比。为了提高与气流相对运动速度，通常滑翔伞都采用逆风起飞，以增大升力，缩短起飞助跑距离。 2伞衣面积（S）：升力由伞衣上；下压力差产生，所以理论上伞衣面积越大，升力也就越大。但由于滑翔伞伞衣由柔性的纺织材料制成，依靠冲压空气成形，出于结构上的原因既要保证充气刚性，又要保持一定的翼载荷以保证飞行性能，所以不能象刚性机翼那样做得太大。 3空气密度（p）：气流压力与密度成正比。密度增大时，升力也增加；密度减小时，升力也下降。 4翼型：翼型不同，气流流过上、下表面的流线情况也不同。在一定范围内，翼型的弯度和厚度越大，引起上、下表面的压力差也大，故升力也越大。 5攻角，也称迎角（）：在翼型确定之后，升力的大小取决于翼型与相对气流的角度。我们将翼型前缘与后缘用直线相连接，称为翼弦，通常用翼弦来计量各个角度。翼弦与相对气流（或滑翔飞行轨迹）之间的角度，称之为攻角或迎角。 三、滑翔伞的阻力当物体与空气有相对运动时，都会受到空气的阻力。滑翔伞在空气中运动时所受到的阻力主要有形状阻力、翼型阻力、平度阻力、切口阻力和诱导惶为五种，前四种阻力合称“废阻力”，而诱导阻力则是伴随升力的产生而发生的，是一种伴生阻力。现分述于下： 1形状阻力：这里主要指人体和伞绳相对于空气运动时产生的阻力。现代滑翔伞为了提高滑翔性能，加大了伞衣的长宽比（EP翼展与翼弦的比值，也步展弦比），同时为了保持伞翼具有良好的外形，必须增加伞绳的根数，从而大大增加了伞绳在气流中的阻力面积，为了达到减小伞绳阻力的目的，往往都采用直径很细的伞绳（通常直径为112毫米）和伞绳分叉技术。 2翼型阻力：伞衣在空气中运动时产生，主要包括摩擦阻力和压差阻力两部分。摩擦阻力是空气微团与伞衣表面相摩擦，由于空气的粘性，阻滞气流流动而产生。压差阻力则是由于伞衣上、下表面的压力差而产生。 3平度阻力和切口阻力：滑翔伞伞衣由冲压空气充压成形。由于气室内部压力的作用，柔软的上下表面总会有所凸起，造成表面的不平整，从而产生不平度阻力。现代滑翔伞为减小不平度阻力，通常采用增加气室数量的方法解决。此外，滑翔伞的进气口是将翼型前缘切去一部分形成的，由切口形成的阻力在早期的初级滑翔伞上约占全部阻力的30左右，目前滑翔伞多采用减小切口高度和两端翼尖气室前缘一部分不开切口的结构，切口阻力已大大减小。 4诱导阻力：这是随升力而产生的阻力，原因是由于翼型后部升力向上和向后的分力作用和翼尖部分上下压力差的存在，使气流绕过两端翼尖向上翼面流动，从而使空气团旋转而形成旋涡（图剖，当旋涡从翼尖向后流动时，会带动和诱使四周空气随之旋转，越靠内旋转越快。通常降低诱导阻力的措施是增大展弦比和改变伞衣的平面形状。所以这也是现代滑翔伞伞衣采用椭圆形状的重要原因。四、稳定性所有运动的物体，对其第一位的品质要求是稳定性。滑翔伞的稳定性是指当它受到外力扰动（多半为阵风、端流或飞行员的短暂操纵）后，能自行恢复到原先状态（平稳直线飞行）的倾向或能力。简而言之，一具稳定的滑翔伞在遇到阵风干扰后能自动恢复到正常飞行状态或它在平稳的气流中具有“脱手”飞行的能力。及自身的安定性满足不加人为干预滑翔伞可以稳定的飞行能力。为说明滑翔伞的稳定性，先让我们看一下它的三个旋转轴：横向轴、纵向轴和垂直轴，如图9所示。滑翔绕横向轴的转动称俯仰，即伞衣前缘上抬或下降，是攻角的变化绕纵向轴的转动称滚转，即一侧伞衣向上或向下的运动；绕垂直轴的转动称偏航，它是伞衣一侧向前或向后的运动，也就是滑翔伞航向的变化。滑翔伞的俯仰稳定性和滚转稳定性都是由摆锤作用引起的。在正常稳定飞行时，飞行员悬挂在伞衣下面（这与悬吊在细绳下面的一个重物，即单摆相似），有恢复到原先攻角状态的倾向。假如滑翔伞侧面受到阵风的吹袭冲击，一侧伞衣的翼尖上拾，另一侧下降，也会造成R与W的平衡被破坏，同样会在力偶的作用下产生一个恢复力短，使伞衣绕纵向轴角，而向前的一侧处于较但转动，重新回到我们的头顶上方，这以前者比后者产生更大的J就是滑翔伞的滚转稳定性。侧上后部的力结合通过系滑翔伞的偏航或航向稳定性与上述情力对伞衣产生修正作用，百况不同。当滑翔伞的伞衣对风向发生偏航状态，回到原先的航向上。总结来说，滑翔伞本身拥有极高的自身安定性。 五、转弯飞行 滑翔伞在空中的转弯是通过拉下操作绳，使伞衣一侧的后缘部分向下弯曲，攻角加大，因而在气流的作用下，该阻力增大而升力被破坏，如图所示。一侧伞衣随着刹车的施加而减速并轻微地下降，同时滑翔伞绕 垂直轴转动飞行方向改变，从而实现空中转弯。滑行伞在转弯时，由于人体惯性力的作用，人体向外侧偏移并使伞衣处于倾斜状态。要指出的是，在拉下刹车进行转弯时，伞衣的倾斜角会随着刹车量的增加而加大，而由人体的惯性引起的离心也会随刹车量和操纵速度的快慢而变化，拉刹车越快惯性力也越大。所以刹车操纵一定要适度和柔和，否则会导致严重后果。如果飞行员不断增加刹车操纵量，则滑翔伞的盘旋转弯半径会随之越来越小，倾角变得陡峭并进入紧密的螺旋形下降，超量的刹车操纵甚至会导致进入危险的螺旋俯冲。产生这种情况的原，是由于离心力与伞系统的总重量W相结合产生一个新的表观重力WA。这个新的载荷大于W，也大于气动力R，由于升力不足以平衡WA的分力，所以会导致高度损失。这种情况如发生在低空则往往会导致坠地和造成伤亡的严重后果，这是需要特别引起重视的。一般情况下操纵滑翔伞转弯时，滑翔伞与水平面的倾角不应大于45度。六、滑翔伞的最佳性能 滑翔伞的性能涉及许多方面的问题，在此我们仅讨论与性能有关的几个主要指标，即滑翔比、下沉率和速度。滑翔比直接与滑翔轨迹有关。所谓滑翔比是指在单位时间内滑翔伞向前运动的水平距离与垂直下降距离的比值或水平速度与垂直下降速度的比值。这个比值的大小在一定程度上反映了滑翔伞性能的高低。早期滑翔伞的滑翔比在3比16比1之间；而当代滑翔伞的滑翔比大多在5比19比1之间，部分竞赛型高性能滑翔伞的滑翔比已接近于10比1。表示了不同滑翔比的滑翔轨迹。图中V为滑翔伞的滑翔飞行速度，将速度矢量V相对于水平和垂直方向分解，即可得到其水平分量VH和垂直分量Vv，其中Vu即为滑翔伞的水平运动速度，Vv即为滑翔伞的垂直下降速度。通过图形分析我们不难看出，由升力Y、阻力D和气动力R构成的三角形与VH、Vv和滑翔速K V（或滑翔轨略嗨）构成的三角形是相似三角形，L与R之间的夹角，与滑翔轨迹角b相等。所以，滑翔伞的滑翔比也可以简单地看作是升力L与阻力D之比。所以有：滑翔比KVHVvLD。由此可见，要提高滑翔伞滑翔比的途径应该从加大升力，减小阻力着手，而决定伞衣最大滑翔比（LD）m主要取决于翼型和展弦比。 下沉率是指滑翔伞的单位时间内的垂直下降距离，也即垂直下降速度Vv。一般说来，最小下沉率发生在我们飞得很慢的时候（比失速速度稍快一点儿影响下沉率的主要因素是伞衣的翼型、尺寸与飞行员的重量。在实际飞行中，我们要改变飞行速度通常是使用刹车操纵来增加伞衣翼型的弯度，增加攻角来实现的，这种方式与通常飞机放下襟翼的作用相似。当我们同时下拉左右侧操纵绳使伞衣的后缘向下偏转，就会减慢滑翔伞的前进速度和垂直下降速度，后