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[心得交流] 三种波状滑翔

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发表于 2020-8-24 13:28 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 人力扑翼 于 2020-8-24 13:38 编辑

为了便于理解巡航扑翼的小变载波状滑翔原理,本文对三种波状滑翔作对比分析。
一、身和翼的距离保持不变的波状滑翔
身和翼的距离保持不变,就是身和翼同步地、同幅度地、整体地作波状滑翔。现有滑翔器材都能做到。但是必然是能量衰减的。
为了便于理解,可将波状滑翔概略分解为如下四段:
——直线下滑段;
——凹形反转段。即从下滑转变为上滑的过渡段;
——直线上滑段;
——凸形反转段。即从上滑转变为下滑的过渡段
以下各图中:
——蓝色双线箭头表示综合气动力。
综合气动力的升力分量和阻力分量未画出。升力分量,就是综合气动力在迎流方向的法方向上的投影分量。阻力分量,就是综合气动力在迎流方向上的投影分量。
本文讨论的所有状态都是滑翔状态,也就是较小正攻角(翼弦线和迎流方向的夹角)。所以综合气动力的方向总是迎流方向的法方向再向后偏一个较小的特性角(该角的正切是升阻比的倒数)。当攻角有微小变化时,综合气动力的值会有明显变化。
——黑色双箭头表示重力。在任何状态都是不变的。
——绿色单箭头表示综合气动力和重力所合成的合外力,飞行器运动状态的一切变化(线量加速度和方向加速度)都由合外力产生。
——图中双短斜线所标注的线段,是平行等长的线段。只标出了和重力平行等长的线段。

下面分析这第一种波状滑翔的各段的情况。

首先看直线下滑段和直线上滑段。如果效果是直线,那么就“后验”地说明,合外力的方向和轨迹方向是平行的,没有方向加速度。

下滑段和上滑段,即使迎流方向对称于水平线,应流方向的法方向对称于铅直线,综合气动力的大小也大致相同,但是由于综合气动力总是相对于迎流方向的法方向而向后倾斜的,所以,下滑段的合力虽然是向前的,但总是小于上滑段的后向合力。上滑段和下滑段的总和效果还是减速的。

而在凹形反转段,凹形轨迹的效果“后验”地说明合外力在弧形轨迹的向上方向有一个分力产生方向加速度。凸形反转段,凸形轨迹的效果“后验”地说明合外力在弧形轨迹的向下方向有一个分力产生方向加速度。

而为了产生这样的合力,凹形反转段需要增大攻角以显著增大综合气动力,凸形反转则需要减小攻角以显著减小综合气动力。

由于身的质量是整体质量的主要部分,所以,整体的往复上下折转的变向力就比较大,更会浪费能量。

所以,总的来看,第一,身翼距离不变的波状滑翔,“先验”地说,只靠固定悬挂长度和动态改变翼俯仰角就能轻松实现。第二,这种波状滑翔必然是衰减的,或者是平均速度越来越慢,或者是平均高度越来越低。


二、身保持水平运动,翼单独作波状滑翔

这需要动态改变悬挂长度并动态调整攻角来实现。



如果身的运动实现了水平直线,那么“后验”的来说,综合气动力除了使翼运动凹凸反转的一点小波动外(由于翼的质量远小于身,所以不需要太显著的气动力波动),其铅直分量和重力一直保持反向近似相等。综合气动力和重力的合力一直近似在水平面内。

这种波状滑翔,没有了身的往复上下转折,避免了质量主要部分显著颠簸的耗能。

但是特别要注意的是,在直线下滑段和直线上滑段,虽然悬挂长度连续变化,但是悬挂力却不能变化,仍然约等于重力。也就是说,这种波状滑翔的直线下滑段,和第一种波状滑翔中的直线下滑段近似;这种波状滑翔的直线上滑段,和第一种波状滑翔中的直线上滑段近似。下滑时的前向合力仍然小于上滑时的后向合力,所以这种波状滑翔仍然是衰减的滑翔。


三、翼作波状滑翔,身的小幅波状运动比翼提前约1/4个周期

这也需要动态改变悬挂长度并动态调整攻角来实现。


在这种波状滑翔中,翼的凹形反转段和凸形反转段的情况,和第二种波状滑翔中的相应反转段情况是近似的。

而在翼的直线下滑段,如果实现了身的凹形运动效果(注意,向上的力不一定使身上升,而是使身的轨迹呈凹形),那么“后验”地来说,合力就该有一个较显著的向上的分量(之所以要“显著”,是因为身的质量是整体质量的主要部分),也就是说综合气动力要显著大于重力绝对值。这样,综合气动力的向前水平分量(未画出)也跟着增大了。

(在《知乎-扑翼新探-鸟类扑翼原理的简明表述》中,画的是对翼的综合气动力、重力对翼的下拉力和加载力,以及这些力对翼的合力,是水平向前的。道理和这里是一样的,这里画的是整体受力情况,主要表现为身的受力)。

在翼的直线上滑段,如果实现了身的凸形运动效果(注意,向下的力不一定使身下降,而是使身的轨迹呈凸形),那么“后验”地来说,合力就该有一个较显著的向下分量,也就是说综合气动力要显著小于重力绝对值。这样,综合气动力的向后水平分量也跟着减小了。

下滑的前向水平分量增大,上滑的后向水平分量减少,当综合气动力的波动幅度达到一定程度后,全周期的水平分量的综合效果,就能保持宏观等速甚至加速了,从而实现不衰减的波状滑翔。

“先验”地说,要实现这种波状滑翔,第一,下滑时要稍微增大翼弦线和翼轨迹之间的攻角,以增大气动力;上滑时要稍微减小翼弦线和翼轨迹之间的攻角,以减小气动力。第二,下滑时不但要缩短悬挂长度,还要增大身对翼的悬挂拉力,使翼的受力基本平衡,(同时使身的运动轨迹产生凹形,属于副作用。由于身的质量大,所以满足需要的变载量时,身的起伏幅度较小);上滑时不但要放长悬挂长度,还要减小身对翼的悬挂拉力,仍然使翼受力基本平衡,(同时使身的运动轨迹产生微弱凸形,也是副作用)。

至于身的起伏幅度有多大?不是操作所要关心的,操作只要关心攻角和拉力变化量相对应,且适时、适度地变载就行了。


对比以上三种波状滑翔的变载规律:


  
翼的运动形态
  
概略直线下滑
凹形反转
概略直线上滑
凸形反转
  
第一种波状滑翔
  
净载
特重载
净载
特轻载
  
第二种波状滑翔
  
净载
微重载
净载
微轻载
  
第三种波状滑翔
  
重载
微重载
轻载
微轻载


第三种波状滑翔,简单说,就是“重载下滑,轻载上滑”。这是前两种波状滑翔都不具备的变载规律。

观察鸟类巡航时身的起伏。身轨迹的最低点在下扑段中部,然后提前于翼开始上升;身轨迹最高点在上扑段中部,然后提前于翼开始下降。最低点的前后附近都应是凹形段,最高点的前后附近都应该是凸形段。说明了鸟身的起伏相位超前于翼约1/4周期。

现有固定悬挂长度的滑翔伞和滑翔翼,可以做第一种波状滑翔,即“海豚式滑翔”,但特重载和特轻载的感觉是比较困难的。有些飞友根据这种感觉经验而怀疑小变载波状滑翔,其实是不当类比。第三种波状滑翔,不需要特重载和特轻载,载荷变化幅度(气动力变化幅度)更小,只要能合理控制攻角、悬挂变长和变拉力,就能更省力地实现。

关键在动态控制,而不在力。

规律正确的、适度的变载,波状滑翔就能不衰减的飞行了。


发表于 2020-8-29 07:48 | 显示全部楼层
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