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[心得交流] 翼装滑翔.探讨和发展设想 (下)

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发表于 2017-12-17 07:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 有容乃大 于 2017-12-17 07:59 编辑

翼装滑翔.探讨和发展设想 (下)
----读网上法国翼装飞行特技表演报道有感

有容乃大展翅翱翔

引言 作者从推广大众飞行理念出发,长期专注于悬挂式滑翔翼运动研究与推广。在与人交流中发现:滑翔翼在国内大众的认知度相对有所下降,由于近年张家界国际翼装飞行活动的电视报道,很多人对“滑翔衣”,即所谓“翼装飞行(Wingsuit Flying)”更为印象深刻。想起收集有关翼装滑翔的技术数据,写一篇关于滑翔翼与滑翔衣技术对比的文章。
  11月29,30日在各门户网上读到几篇关于法国翼装滑翔与飞机配合完成特技的报道。尽管标题各自标新立异,通过比较分析,明确了事实,并从其中找出了有关翼装滑翔的主要技术数据;同时引发对未来翼装飞行器特技飞行活动及装备发展的若干设想。遂撰写本文(上,下篇),与读者分享。

翼装滑翔特技动作的新挑战:不开伞安全着陆于次级山顶
  翼装滑翔20年前就已经成功挑战了从飞机起飞,不开伞飞进跟踪的飞机舱内。最近又成功挑战了双人从山脊起飞,不开伞飞入跟踪的飞机舱内。而从山脊起飞的近地滑翔,以及冲击中途次级山脊上设置的标靶等,也已经成为经常性表演或竞技项目。下一步该挑战的,高难度又有实用意义的翼装滑翔竞技项目将会是什莫呢?
   作者以为,翼装滑翔由必须飞机高空起飞发展到独立在高山山脊起飞,扩展了该项运动的活动范围,极大减少了运动成本,是一个重大发展。而新挑战成功的,通过飞机配合创造不必开降落伞就安全落入飞机中的壮举,耗费设备人力成本较大,还是摆脱不了在无飞机配合就必须开降落伞才能安全着陆的基本特征,除了在谍战片中可以作为特技炫耀外,实用意义不大。下一个更加有实用意义的特技挑战应该是:由高山山脊起飞,不开伞安全着陆于次级山顶。如果翼装滑翔能挑战成功不开伞在次级山顶着陆,把降落伞变成不必每次滑翔都打开使用的备用安全保护措施,就意味着翼装滑翔运动从此成长为独立滑翔运动,可以和滑翔机,滑翔翼,滑翔伞运动并肩,不必再归类于跳伞运动了。意义更加重大。
  为了从原理证明该项特技实现的可能性,我们用物理学中力学部分的基本原理之一功能原理,对于山脊起飞后下坠加速过程和次级山脊着陆前的爬升减速过程做一下简化定量分析。  
在山顶起飞后加速阶段有关数据估算(无风时)
   根据功能原理:   动能的(增加)变化 = 势能的(减少)变化 + 过程中外力做功  (此公式中重力不看作外力)
假设翼装运动员从山脊起跳的初速度为1米/秒,下降高度 h米后,达到滑翔速度37.5米/秒。过程中外力是空气阻力,(升力方向与运动方向垂直,做功为零,不予考虑)没有其他动力,靠重力加速减少高度来获得速度增加,势能减少减去阻力做功后,转化为动能的增加:
1/2(MV^2- MVo^2) = Mgh – 阻力做功  
式中 M 总质量 90(千克);h  下降高度(米); g 重力加速度  9.81 (米/秒平方); V 滑翔速度 37.5(米/秒);
Vo 初速度1(米/秒);
先对阻力做功大致作一估算:已知在滑翔时:   重力平方= 升力平方+阻力平方
而  升力/阻力= 1.685 , 重力Mg  90公斤即 883 牛顿,可推算出正常滑翔阻力约为 450 牛顿;根据阻力与速度平方正比,可推算出对应在1米/秒 初速度时, 阻力约为 0.32 牛顿。为了避免复杂积分计算,按线性简化近似估算,取:
阻力做功=平均阻力x阻力方向移动距离,
平均阻力=(初始阻力+结束阻力)1/2=225.2 牛顿,
设飞行路径长度为垂直下降高度h的k 倍,阻力方向移动距离= kh
1/2(MV^2- MVo^2) = Mgh – 平均阻力x kh
化简得:  h = (V^2 –Vo^2 ) /2(g - 平均阻力xk/M)      ,
假设k=1.3 (对应下倾角约50.3度),可得出,   h = 107 米,
即运动员需要下降垂直高度107米后,才能加速到滑翔速度,进入下倾30度多的直线匀速滑翔轨迹。(注:这里对于空气阻力做功的线性简化比实际上高估了,实际加速距离应该要稍小于此数值。)在此之前,其加速运动轨迹的下倾角度,必定要大于30.7度(如上面所设k=1.3对应约50.3度),这是翼装滑翔从山脊起跳前必须仔细挑选起跳悬崖的高度和角度的原因。
次级山顶着陆前爬升减速阶段有关数据估算(无风时)
    考虑翼装滑翔者的着陆问题:翼装滑翔的较高速度所具有的动能动量,要求在着陆后最终归零,而双腿经不起高速冲撞,又不具备着陆后的滑跑减速功能,就必须在着陆前把速度大为减少,传统只能靠打开降落伞减速。现在既然翼装滑翔已经实现在起飞阶段可以不靠飞机的速度,靠山脊悬崖跳出后下落足够距离过程中重力加速,最终获得所需滑翔速度。那末反过来,在着陆前,靠向上滑翔,让重力来减速,把滑翔飞行动能转化为高度增加势能,实现在到达次级山脊时翼装运动员速度很小,则不开伞安全着陆于次级山顶,是完全可能的。也就是把作者此前文章中提出的:“让固定翼飞行器采用势能起降平台原理,在小面积高台实现起飞和降落。”用到翼装滑翔的起飞和不开伞着陆。这里的特点是,由于翼装滑翔速度大,滑翔比(升阻比)小,空气阻力做功部份加大,起飞加速阶段所需的下降高度与着陆阶段所需的爬升高度差别较大。
通过上面计算已知,起飞阶段,翼装滑翔者从1米/秒速度加速到滑翔速度37.5米/秒,大约需要下降高度107米。反过来,从滑翔速度 37.5米/秒,减速到1米/秒,估算翼装滑翔需要靠惯性向上滑翔爬升大约多少米?
这里,阻力做功帮助了减速过程  1/2(MV^2- MVo^2) = Mgh + 阻力做功
还按照上面对阻力做功的简化,及平均阻力计算
1/2(MV^2- MVo^2) = Mgh +平均阻力x kh
式中 M 总质量 90(千克);h  爬升高度(米); g 重力加速度  9.81 (米/秒平方); V 滑翔速度 37.5(米/秒);
Vo 末速度1(米/秒); 平均阻力450.32/2=225.2 牛顿。  
化简得:  h = (V^2 – Vo^2 ) /2(g + 平均阻力xk/M)      ,
设k=1.3(对应上倾角约50.3度),可得出,   h = 53.8 米。
结果显示:由于空气阻力做功在两个过程中正好相反,惯性爬升把滑翔速度由37.5米/秒减速到1米/秒所需的爬升高度,比山脊起飞由1米/秒加速到37.5米/秒所需加速的下降高度要小得多。(注1:这里对于空气阻力做功的线性简化比实际上高估了,实际减速高度应该要略大于此数值。注2:如果上倾角小些,例如由50.3度减为30度,则k=2,阻力做功路径增加,估算出的减速高度也会减小到约47米)
不开伞安全着陆于次级山顶挑战的安全风险,应该低于现有竞技中高速冲击次级山顶标靶的挑战
近地高速翼装滑翔的风险,主要在于高速中控制失误撞击山岩。如果能够控制转向爬升减速,同样瞄准次级山脊所设的标靶滑翔,新挑战的完全减速接近标靶,相对于现在翼装竞技的高速冲击穿透标靶,对应的安全风险应该要低不少。
现有翼装实现滑翔方向转变的操控手段和原理
   由于没有直接改变翼迎角的手段,目前翼装靠改变两臂张角,从而改变翼面积及翼展方式来操控滑翔的上下左右方向:双臂同时张大角度,使翼面积翼展增加,总升力增加大于重力,滑翔向上转方向(并减速);双臂同时减小角度,使翼面积翼展减小,总升力减小小于重力,滑翔向下转方向(并加速)。
   仅左臂略减小张角,使左翼面积翼展减小升力减小,顺势成为左臂低右臂高,总升力方向向左偏,提供向心力,滑翔向左转向。反之,滑翔向右转向。
运动员能否在需要时操控下倾滑翔中的翼装飞行实现向上转爬升?!
   现在的问题是,新挑战过程中,为了有效地在接近次级山脊标靶过程中实现完全减速,运动员能否操控翼装滑翔向上转爬升?!
   这个操控要求对于滑翔机和滑翔翼都不成问题(靠操控滑翔机升降舵,或者滑翔翼增大迎角),但对于目前翼装飞行,尽管总质量小,高速滑翔过程中运动员到底有多大的纵向向上飞行的操控可能?这是一个只有有经验的翼装飞行运动员自己才能够回答重要问题。
   尽管翼装运动员用现有翼装,在山脊起飞加速阶段末段,能够较自如地由大倾角下坠向上转向为正常滑翔30度下倾角;在冲击次级山脊树立的标靶过程中,也表现出了在翼装滑翔路径中作一定程度上下左右调向的控制能力。但在下倾滑翔中,翼装已经完全展开到最大情况下,翼装运动员要挑战转为爬升,把滑翔下倾角转为爬升上倾角,并靠惯性维持爬升47至54米实现完全减速,则相当困难。作者基于对目前翼装结构和操控方式的认识,觉得除非采用特别的操控策略,或者对现有翼装装具做出重大改进,很难实现翼装滑翔较大距离后向上转爬升。所以,完成由高山山脊起飞,不开伞安全着陆于次级山顶的挑战,对翼装运动员将是一个高难度挑战。不知有经验的翼装滑翔运动员怎莫看?
   实践是检验真理的唯一标准。敢于挑战的有经验的翼装滑翔运动员们,不妨在高空飞机起跳进入匀速滑翔状态后,练习操控翼装实现向上转爬升,看看能否操控翼装转为向上滑翔,并靠惯性爬升实现减速。 验证穿着现有翼装向上转向爬升操控的可能性,以及验证由正常滑翔速度减速度到约1米/秒到底需要爬升多高?待到经验成熟后,再仔细挑选地貌地形和天时,来挑战山脊起飞后于次级山脊不开伞着陆的壮举。作者也在此衷心祝愿我国或世界各国的翼装运动员能够实现这一壮举。不但能把翼装滑翔变成独立的滑翔运动,也为其它固定翼飞行器(带动力或无动力)实现在小面积势能起降平台上起飞着陆树立榜样。

翼装滑翔装具的发展方向:穿着式单人仿生滑翔翼
   实现翼装滑翔从山脊起飞后在次级山脊不开伞着陆的挑战,使翼装滑翔运动成为独立滑翔运动,具有重大意义。而利用现有翼装实现该项挑战存在很大难度。所面临的挑战要求,也对改进现有翼装技术数据提出了方向:要在保留轻便穿着,能通过四肢操控改变翼面积翼展的基本翼装特点同时,实现下述3方面改进
        适当减少翼装滑翔速度(指完全伸开四肢后可实现最小滑翔速度)。  可以使起飞加速所需降落高度,和次级山脊着陆前减速所需爬升高度都大为减少。实现新挑战难度大为减少。例如:如果滑翔速度由现有的37.5米/秒减到 20米/秒(72千米/时),不计空气阻力的理论对应的加速(减速)所需降落(爬升)高度由 72米 减少到 20.3米。(参看附录二)
        较大程度增大升阻比(滑翔比)。可以在不影响滑翔速度的前提下,减小滑翔倾角,有效减少垂直下降速度,增加留空时间,增加水平滑翔距离。有效减少阻力,可使得起飞加速所需降落高度与减速所需要的爬升高度之间的差别大为减少。例如:如果滑翔比由现有的1.685 增加到4,则可使得滑翔下倾角由现有 30.5度减小到约14度;对应滑翔速度 20米/秒(72千米/时)的水平分速度为19.4米/秒,而垂直下降速度仅为 4.85 米/秒。相比现有翼装 滑翔速度 37.5米/秒,水平分速度 32.7 米/秒,滑翔垂直降速19.4米/秒; 分别降低比例为: 滑翔速度 53.3%,垂直降速 25%,水平分速度 59.3% 。将使得同高度留空时间增加4倍,水平滑翔距离增加约2.4倍,滑翔性能大为改善。使翼装山脊起飞滑翔对于地形的严要求放宽,实现近地滑翔各挑战难度大为减少。
        最关键的改进要求是:在保留现有翼装通过四肢打开/合并操控翼面积和翼展改变功能的基础上,给与翼装运动员在一定范围内操控翼面迎角的功能。这一功能,目前的翼装完全不具备。而只有实现这个关键改进,翼装飞行员才能具有在高速向下滑翔过程中即便完全张开双臂也能实现纵向上转爬升的操控能力,加上改变双臂张角的控制,使得翼装滑翔上下操控能力大为增强。而左右独立的迎角控制也使得左右转向控制更为方便自如。
    为实现上述3方面技术要求的改进,根据飞行原理,需要做哪些具体设计几何数据和结构的改进?作者以为,现有翼装的外形结构从仿生角度看就是模仿了自然界的飞鼠。飞鼠是自然动物中飞行水平最低的,其四肢与身长比例,以及前后肢间的皮膜结构,决定了其有效翼展小,翼面积小,展弦比小,翼型差,远比不上一般飞鸟。所以翼装改进的方向,从仿生角度,就应该是从仿生飞鼠,改进到仿生飞鸟
从仿生飞鼠到仿生飞鸟
作者建议具体设计几何数据和结构的改进方向就是,在保留轻便穿着,能通过四肢操控改变翼面积翼展的基本翼装特点同时,做下述4方面改进:
        适当增加翼面积,加上翼型改进,提高升力系数,使滑翔速度减小。增加翼展自然也增加翼面积。
        较大幅度增加翼展:  人的双臂完全张开距离有限,应该模仿飞鸟翼的硬翅羽,在上肢完全展开基础上较大幅增加翼展。通过增大展弦比减小诱导阻力,有效增加升阻比。
        形成良好翼型: 现有模仿滑翔伞利用空气吹开成型方式,虽然能改进翼型,但阻力系数大。还应采用准封闭双层蒙皮和轻质刚性翼肋保证良好翼型,有效增加升阻比。
        设计能用双手操控的在一定角度范围独立改变两翼迎角的机构
相信在实现上述4方面改进后,让翼装由目前的“飞鼠装”变成为名副其实的“飞鸟翼装”,成为单人穿着式仿生滑翔翼。在大幅度提高滑翔飞行性能的同时,也会使前述山脊起飞次级山顶不开伞着陆等等技术挑战水到渠成地得以完成。

后记:“特绿飞行”项目发起人已完成了“穿着式单人仿生滑翔翼”创新设计
作者通过交流欣喜获悉:“特绿飞行(特别绿色飞行装备有限责任公司)”项目发起人谭教授,在基本认同作者上述观点的同时,已经把创新翼装,即“单人穿着式仿生滑翔翼”作为该项目研发新产品目标之一,并入原计划的“仿生滑翔翼,人力驱动,电动仿生滑翔翼”的产品研发系列。最近,在原来“可快速展开收褶柔性蒙皮机翼专利”基础上,已经完成了“单人穿着式仿生滑翔翼”具体设计。将申报国家专利,作为技术入股于“特绿飞行”创业。  
“特绿飞行”创业运营后,将相继开发出完全具有自主知识产权的,全新的轻便易携,操控方便,性能优越的滑翔飞行运动系列化产品:从穿着式到悬挂式;从单人到多人;从无驱动到人力,电力驱动,给国内外广大滑翔飞行运动爱好者们提供更多的运动飞行装备的选择。
让我们对他们的计划给与尽可能的(精神上道义上,物质上和人力上)鼓励和支持,期盼祝愿他们的梦想早日成真。

                                                  (正文完)

附录一:滑翔比  升阻比  滑翔角  滑翔速度 垂直降速 水平分速, 阻力 升力 重力 等基本关系

        (适用于任何固定翼滑翔设备: 滑翔机,悬挂式滑翔翼,滑翔伞,翼装等)
        滑翔比=水平分速/垂直降速=水平滑翔距离/垂直下降高度   (无风条件下)
        滑翔速度平方=水平分速度平方+垂直降速平方 (无风条件下)
        升阻比=升力/阻力         滑翔比=升阻比     
即:在无风条件下,作匀速直线滑翔时, 由 水平分速度-垂直降速-滑翔速度组成的直角三角形;滑翔水平距离-下降高度-滑翔轨迹组成的直角三角形,以及下面提到的 升力-阻力-重力组成的直角三角形,相互为几何相似。
        滑翔角:滑翔速度方向与水平线之间夹角   ctg (滑翔角)= 滑翔比 (无风条件下)
        匀速滑翔过程中,升力矢量与阻力矢量(互相垂直)的合力矢量,与重力矢量大小相等方向相反。
        三力平衡, 三力合力为零。重力平方=升力平方+阻力平方
        设:滑翔比=升阻比= p ,  重力 = Mg 牛顿  M 为总重 千克,g 重力加速度 9.81米/秒平方,
        则    阻力=Mg(1/(1+p^2)^0.5)    升力=Mg(p/(1+p^2)^0.5)

附录二:滑翔中起飞后下坠能加速/ 着陆前爬升减速 过程中 速度变化/高度的简化估算
     设 起飞初速度 (着陆末速度) Vo 米/秒, 滑翔速度 V 米/秒, 总重M千克,滑翔比(升阻比)p
       下坠(爬升)高度 h  米,   下坠(爬升)路径与垂直高度比 k
     已知阻力正比于速度平方,但简化按阻力线性变化估算  设 平均阻力=1/2(滑翔阻力+初始或最终阻力)
     按功能原理     动能变化=势能变化+阻力做功
最后得加速下坠高度:  h = (V^2 – Vo^2 ) /(g(2 - (1/(1+p^2)^0.5) (1+(Vo/V)^2)k))
      爬升减速高度:  h = (V^2 – Vo^2 ) /(g(2 + (1/(1+p^2)^0.5) (1+(Vo/V)^2)k))

    计算结果列表: 假定Vo=1米/秒    k=1.5                                                              
滑翔比                1.68               3                    5                10                   15            
滑翔速度(m/s) 37   25   20    37    25    20    37    25    20    37   25    20    37   25   20  
下降高度(m)113  51.6 33.0 91.4 41.6  26.6  81.7  37.3  23.8  75.3  34.4  22.0  73.4  33.5  21.4
爬升高度(m)50.4 23.0 14.7 56.4 25.7  16.4  60.8  27.7  17.7  64.9  29.6  18.9  66.4  30.3  19.4

                             (附录完)
发表于 2017-12-17 20:13 | 显示全部楼层
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发表于 2017-12-17 21:15 | 显示全部楼层
发表于 2018-1-12 17:15 | 显示全部楼层
看的心乱
发表于 2018-1-18 23:44 | 显示全部楼层
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