會飛的“楓葉”

趙二剛 韓玉

李曉宇/攝

從遠(yuǎn)古時代美麗的飛天神話，到現(xiàn)代社會說走就走的航空旅行，人類對飛行一直充滿向往，各種奇思妙想的飛行器層出不窮。熱氣球、滑翔傘、固定翼、直升機(jī)、撲翼機(jī)、旋翼機(jī)、多旋翼飛行器……這些外形布局各異的飛行器，是人類千百年來在探索飛行過程中創(chuàng)新創(chuàng)意思想的結(jié)晶。

時至今日，創(chuàng)新越來越成為推動航空技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。航空領(lǐng)域中不少重大的技術(shù)進(jìn)步，很多都源自一些看似簡單的小創(chuàng)意。不同尋常的創(chuàng)意飛行器，既能作為驗(yàn)證飛行設(shè)想的有效載體，也可充當(dāng)開展航空科普教育的直觀工具。

本期介紹一架會飛的“楓葉”模型飛機(jī)，它由北京市朝陽區(qū)垂楊柳中心小學(xué)馨園分?！皸顐髂Ｐ凸ぷ魇摇痹O(shè)計(jì)。從外形上看，“楓葉”飛機(jī)就是一片非常普通的“樹葉”，找不到一丁點(diǎn)飛行器的影子，似乎也與飛行毫不沾邊。實(shí)則不然，這架“楓葉”飛機(jī)的飛行性能優(yōu)異，不但能飛出完美的直線，稍加調(diào)整還能做出筋斗和回旋動作，趣味十足，非常適合在青少年航空科普活動中使用。下面，就讓我們一起探究這架“楓葉”飛機(jī)都有哪些巧妙之處吧。

簡單設(shè)計(jì)滿足機(jī)體剛度要求

飛行器在空中飛行，需要有一定的剛度，這樣才能保持機(jī)體的氣動外形，從而保證高效的飛行效率和良好的操縱性能。這架“楓葉”飛機(jī)的主要材質(zhì)是2mm 厚的魔術(shù)板。魔術(shù)板也叫PP 板，是一種重量輕、韌性好的泡沫材料，用它制作的飛行器重量較輕，且十分堅(jiān)韌、不易損壞。但魔術(shù)板質(zhì)地較軟，容易導(dǎo)致飛行器剛度不足、飛行性能欠佳。

要使魔術(shù)板材質(zhì)的機(jī)體具備足夠的剛度，就要在設(shè)計(jì)上下功夫。對于這架“楓葉”飛機(jī)，通過一些簡單的手段即可解決這一問題。

首先，在機(jī)身上沿縱軸方向增加一片較窄的加強(qiáng)魔術(shù)板。該設(shè)計(jì)可以在增加很少重量的前提下，提高機(jī)體的剛度和強(qiáng)度。同時，由于加強(qiáng)魔術(shù)板較窄，對飛行時的氣流影響很小，大部分氣流都能平滑地流過機(jī)翼，為飛行器提供所需的升力。

其次，沿縱軸方向在機(jī)體上下表面分別粘接2 片窄魔術(shù)板，并使它們與機(jī)體垂直。從機(jī)頭或機(jī)尾方向看，2 片窄魔術(shù)板與機(jī)體形成“十”字形布局。采用這種結(jié)構(gòu)后，一方面，無論機(jī)體出現(xiàn)上下還是左右變形，都會被這個“十”字形布局限制住，最大限度地提高機(jī)體的剛度；另一方面，上下表面的魔術(shù)板充當(dāng)垂直安定面，可增強(qiáng)“楓葉”的方向穩(wěn)定性，下表面的魔術(shù)板還能充當(dāng)握把，顯著提高投擲的便利性。

魔術(shù)板質(zhì)地較軟，容易變形。

在機(jī)身縱軸方向增加一片加強(qiáng)魔術(shù)板， 對機(jī)身進(jìn)行加強(qiáng)。

在機(jī)體上下表面分別粘接2 片與機(jī)翼垂直的魔術(shù)板，與機(jī)身形成“十”字形布局。

兩片垂直于機(jī)翼的魔術(shù)板除了作為垂直安定面外，還可充當(dāng)手?jǐn)S放飛時的握把。

幾種常見的飛機(jī)氣動布局

我國空軍主力戰(zhàn)機(jī)殲10 和殲20 都是典型的鴨式布局飛機(jī)（陳學(xué)強(qiáng)/攝）

法國達(dá)索公司研制的幻影2000 是典型的無尾布局飛機(jī)

美國B-2 遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)采用飛翼布局，具備突出的隱身性能。

這些簡單的設(shè)計(jì)手段十分巧妙和有效，既保證了“楓葉”飛機(jī)的輕盈，又最大限度提高了機(jī)體的剛度。

萬變不離其宗的飛行原理

一架飛行器，不論外形多么奇特炫酷，其中的飛行原理是不變的?！皸魅~”飛機(jī)形似楓葉，但本質(zhì)上仍屬于無尾布局的飛行器。

剛度指一個構(gòu)件或結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力。剛度的大小不但與材料本身有關(guān)，還與該構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的截面與形狀等有關(guān)。強(qiáng)度指某種材料抵抗破壞的能力。強(qiáng)度的大小與材料本身的性質(zhì)及受力形式有關(guān)。

飛機(jī)的氣動布局可以簡單地理解為機(jī)翼、尾翼和機(jī)身等各部件的相對位置關(guān)系。氣動布局不同，飛機(jī)的飛行特性也不同。通常，飛機(jī)的氣動布局可分為常規(guī)布局、無尾布局、鴨式布局和三翼面布局等。

常規(guī)布局指機(jī)翼在前、尾翼在后的布局形式。人們對常規(guī)布局飛行器的了解最深刻，理論基礎(chǔ)最完備，技術(shù)最成熟，因而這種布局也最常見。當(dāng)今幾乎所有的民航客機(jī)和大多數(shù)通航飛機(jī)、軍用飛機(jī)都采用常規(guī)布局。無尾布局指沒有水平尾翼的布局。鴨式布局是控制飛機(jī)俯仰的水平尾翼移到機(jī)翼前方并被稱為鴨翼的布局形式。人類第一架飛機(jī)萊特兄弟發(fā)明的 “飛行者一號”采用的就是鴨式布局。在常規(guī)布局的基礎(chǔ)上增加一對水平前翼的布局叫三翼面布局。

采用無尾布局的飛行器，飛行特性鮮明。由于取消了水平尾翼，使得機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間增大、復(fù)雜度變小、重量減輕，而且阻力較小，配合使用三角形機(jī)翼后，非常適合高速飛行。但因?yàn)槿∠怂轿惨?，?dǎo)致這種飛行器縱向穩(wěn)定性變差，起降性能不佳。

“楓葉”飛機(jī)的結(jié)構(gòu)布局示意圖

將“楓葉”飛機(jī)左右機(jī)翼外側(cè)同時向上彎折（聯(lián)動），可起到升降舵的作用。

將“楓葉”飛機(jī)左右機(jī)翼外側(cè)分別向上向下彎折（差動），可起到副翼的作用。

北京市朝陽區(qū)垂楊柳中心小學(xué)馨園分校的同學(xué)們展示自己制作的“楓葉”飛機(jī)（李曉宇/攝）

無尾布局飛行器的研究興起于第二次世界大戰(zhàn)后至20 世紀(jì)70 年代。當(dāng)時，各國在研制戰(zhàn)斗機(jī)時開始追求高空高速，一批高速機(jī)型應(yīng)運(yùn)而生。由于無尾布局的獨(dú)有特點(diǎn)，十分適合高速飛行，因此取得了很大發(fā)展。無尾布局中還有一種連垂直尾翼和機(jī)身都省略掉，只剩下一副機(jī)翼的布局，稱為飛翼布局。飛翼布局的阻力更小、空間結(jié)構(gòu)更大，但安定性差，操縱性不佳，需要在強(qiáng)大的飛控計(jì)算機(jī)輔助下才能穩(wěn)定飛行。

整體上看，“楓葉”飛機(jī)就是一架典型的無尾布局飛行器：“葉柄”是機(jī)頭，主要起調(diào)節(jié)重心的作用；“葉片”是機(jī)翼，用于產(chǎn)生升力；分居兩側(cè)的“葉片”邊緣起無尾布局飛行器升降舵和副翼的作用；垂直粘接的加強(qiáng)魔術(shù)板起垂直尾翼的作用，使機(jī)體具備足夠的航向穩(wěn)定性。

由于取消了水平尾翼和升降舵，無尾布局飛行器的控制方式比較特殊。機(jī)翼后的兩個舵面，既是升降舵又是副翼。當(dāng)兩舵面同時向上或向下偏轉(zhuǎn)（聯(lián)動）時，起升降舵的作用，可改變飛機(jī)的俯仰姿態(tài)；當(dāng)兩個舵面分別向上向下偏轉(zhuǎn)（差動）時，起副翼的作用，能使飛機(jī)圍繞縱軸滾轉(zhuǎn)。

“楓葉”飛機(jī)不僅外形符合無尾布局飛行器的特點(diǎn)，其控制方式也亦然。調(diào)整好重心后，當(dāng)兩側(cè)“葉片”的后緣同時向上翹時，相當(dāng)于升降舵向上偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生抬頭力矩使它向上飛；當(dāng)兩側(cè)“葉片”的后緣同時向下翹時，相當(dāng)于升降舵向下偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生低頭力矩使它向下飛；而當(dāng)兩側(cè)“葉片”的后緣分別向上向下翹時，相當(dāng)于偏轉(zhuǎn)了副翼，兩側(cè)機(jī)翼升力不同，使它向升力較小的一側(cè)滾轉(zhuǎn)。通過這些調(diào)整，就可以控制“楓葉”飛機(jī)的飛行姿態(tài)，使它按照自己設(shè)定的方式飛行?？刂啤叭~片”后緣的偏轉(zhuǎn)角度和方向，再配合重心及不同的出手姿勢，就能讓“楓葉”飛機(jī)完成不同的飛行動作。

這么神奇的“楓葉”飛機(jī)你學(xué)會了嗎？快約上小伙伴一起制作放飛，看看誰飛得最好！