自由飞模型飞机爬升的几个问题

黄　鹰

安定的模型飞机应当能保持它的正常飞行状态不被破坏。并且，在调整过程中，偏转方向舵或者机翼位置、冲角、拉力线等有些微小的改变，模型的反映很微弱，换句话说，模型是比较“迟钝”的。如果进行一些微小的调整，模型的性能就会发生剧烈改变，以至于失事，或者，在10公尺/秒左右的风速下就失去了安定性，像这类的模型飞机都属不安定的。

模型飞机的不安定现象可分简单和复杂两类。那些很容易解决或知道怎样解决的不安定现象，如纵向不安定里的一些现象，就是简单的；侧压心(侧面压力中心)相对于重心位置有关的螺旋不安定现象，则可算复杂的。

为了使模型有良好的盘旋安定性，就要适当的选择机翼上反角的大小、垂直尾翼面积、整架模型的侧投影面积及侧面压力中心的位置、重心位置等，以及保证足够的盘旋安定系数。垂直尾翼面积的选择是在保证方向安定系数：

的情况下进行的。式中Sв.o是垂直尾翼面积；Lво是垂直尾翼尾力臂；Ba是机翼的平均空气动力弦；Sкр是机翼面积。有了足够的方向安定系数Bвo之后，还要使模型有相当大小的侧面积，当整架模型的侧面积(侧面积的求法见图1)等于0.4～0.5机翼面积时，模型才能在任何情况下稳定的盘旋。在增加模型侧面积时要注意一点：必须使侧压心和重心之间的距离比现有模型的这一距离大大地缩短，使其约等于30～40公厘，或等于5～6%模型飞机全长，也就是说取盘旋安定系数：

式中，Lмoд是模型全长；a是侧压心和重心之间在纵轴上的投影距离。

图1悬挂样板法求模型飞机的侧压心和侧面积。样板用硬纸或层板截成，机翼上反角和双垂直尾翼的投影部分做成双层的。

许多经验证明Kcy在这个范围内是可靠的，包括侧压心和重心在纵轴上投影是重合(a=0)的情况。显明的例子是，莫斯科运动员杜霍维奇把自由飞模型的机翼上装了两块向前突出的冠状片，每块2平方公寸，可以拆卸(图2)。冠状片把侧压心向前提了30公厘，使Kcy由12提到16，也增加了侧面积。实验得到了惊人的效果，模型的爬升由很不安定变得非常安定了。在每秒10～15公尺的阵风下试飞，无论是顶风、顺风或侧风，模型都可保持一种直爬升姿态，没有一点改变方向或螺旋的趋势。发动机停车后，冠状片和方向舵的作用减低了。模型正常的盘旋着。改变发动机的转数，飞行状态随之改变的只有爬升角度。也有的用加大重心前的机身侧面积和上反角，取得同样效果。顺便提一下，苏联的模型滑翔机和橡筋动力模型也有成功的采用着冠状片或大的机头侧面积的，如57年全苏模型滑翔机冠军阿维尔扬诺夫，58年国际冠军索可洛夫，58年全苏比赛的若干优秀模型滑翔机都是如此。58年全苏橡筋动力模型冠军札帕什内依及取得优秀成绩的依万尼可夫的模型机头部分都安了0.2～0.3平方公寸的冠状片。

上述的一些结果，可使我们得出如下结论：用改变Kcy和侧面积大小，改善模型在飞行过程中对外界扰动的抵抗能力，可以有效的提高模型的安定性。据实验的结果，可以这样解释：当模型由于外界扰动而产生侧滑时，垂直尾翼可以克服尾翼部分的侧滑，但却要加剧机头部分的侧滑，以至于使整个模型趋于螺旋状态，机头部分装的冠状片是反抗垂直尾翼加剧机头部分的侧滑作用，故可阻止机头侧滑，有使模型从螺旋趋势改出的作用(图3)也有人认为这样做会增加模型盘旋时的“机动性”，也就是说在顶风飞行时，易于转弯，致使高度降低很快；而是，在各种风向下都能灵活而稳定的转弯，也就有利于利用各种上升气流。但是，保持足够的安定系数还是重要的，这要从提高垂直尾翼的效率着手，比如，加大它的高宽比。

自由飞模型飞机一般都是滑翔时很安定，高速度爬升时不安定。为什么会产生这种现象呢？这是由于垂直尾翼安装在螺旋桨吹风的气流中，在高速度的气流作用下，垂直尾翼的效率变得过分高、过分灵敏了，所以有一点点变形、偏转方向舵或阵风扰动都会使模型失去平衡，改变了爬升姿态或进入螺旋。解决这个问题的方向是：在保证滑翔时有足够的安定性的前提下，降低垂直尾翼在爬升时的效率。方法是：把现在采用的单垂直尾翼改成装在水平尾翼翼尖上的双垂直尾翼。测量的结果说明，螺旋桨吹到尾部的气流会波及水平尾翼中每部分长达1/2～2/3尾翼展(图4)。把垂直尾翼安装在螺旋桨的吹风之外，它的效率就会降低2～3倍，所以双垂直尾翼的总面积要等于单垂直尾翼面积的1.5～2倍才能同时保证了滑翔和爬升的要求。杜霍维奇的模型就是采用了这种双垂直尾翼的。

对于自由飞模型飞机来说，具有两种基本的飞行姿态：高速度的陡峭的爬升和低速度的利用上升气流的滑翔(图5)。直爬升的模型由爬升转入滑翔要有一些俯冲。怎样减小这些俯冲的高度损失？(为了讨论方便，不考虑模型的盘旋、动力组的陀螺力矩作用以及螺旋桨对机身的吹风作用。)当爬升角接近90°时，机翼的升力等于零，模型的飞行就像一种垂直起落机一样，由螺旋桨的拉力P将模型吊向空中，这时机翼的冲角大约是负3度到负4度，拉力P克服着重力G和正面阻力X。如把模型的运动看作是重心点在运动，会看出：正面阻力X对重心产生抬头力矩，而水平尾翼的升力Уго产生俯冲力矩抵消X力矩的作用使模型飞机平衡。这时螺旋桨对水平尾翼的吹风作用，有决定性的意义。当发动机停车之后，正面阻力X对重心之矩变得小于Уго的低头力矩，于是模型便开始低头，同时机翼的升力作用开始表现出来。可是，这时候还没有一个力矩能够平衡Уг.о矩的俯冲作用。这样，模型便由爬升状态，经过了一系列中间状态，转入了俯冲。很容易看出，如果机翼升力R的作用线通过重心的话，模型就不能从俯冲中改出。R的作用线越靠前，模型俯冲的一段就会越短。由此可见，企图把自由飞模型的重心调得很靠前(距前缘30%翼弦左右)来改善其改出性能是不会收到好成效的，大概这也是后重心模型的改出性能较好的原因。从另一方面讲，要是把重心位置调过80%以后，为了产生足够的Уг.о力矩，即便是采用了很大的水平尾翼也是很难平衡的。要使模型在K点处很快的转入新的平衡，还可以在这时用控时器带动方向舵，使机翼产生侧滑，模型便很快的进入滑翔，高度没有多大损失。

黄鹰编译自苏联“祖国之翼”