会飞的“枫叶”

赵二刚 韩玉

李晓宇/摄

从远古时代美丽的飞天神话，到现代社会说走就走的航空旅行，人类对飞行一直充满向往，各种奇思妙想的飞行器层出不穷。热气球、滑翔伞、固定翼、直升机、扑翼机、旋翼机、多旋翼飞行器……这些外形布局各异的飞行器，是人类千百年来在探索飞行过程中创新创意思想的结晶。

时至今日，创新越来越成为推动航空技术发展的关键因素。航空领域中不少重大的技术进步，很多都源自一些看似简单的小创意。不同寻常的创意飞行器，既能作为验证飞行设想的有效载体，也可充当开展航空科普教育的直观工具。

本期介绍一架会飞的“枫叶”模型飞机，它由北京市朝阳区垂杨柳中心小学馨园分校“杨伟枫模型工作室”设计。从外形上看，“枫叶”飞机就是一片非常普通的“树叶”，找不到一丁点飞行器的影子，似乎也与飞行毫不沾边。实则不然，这架“枫叶”飞机的飞行性能优异，不但能飞出完美的直线，稍加调整还能做出筋斗和回旋动作，趣味十足，非常适合在青少年航空科普活动中使用。下面，就让我们一起探究这架“枫叶”飞机都有哪些巧妙之处吧。

简单设计满足机体刚度要求

飞行器在空中飞行，需要有一定的刚度，这样才能保持机体的气动外形，从而保证高效的飞行效率和良好的操纵性能。这架“枫叶”飞机的主要材质是2mm 厚的魔术板。魔术板也叫PP 板，是一种重量轻、韧性好的泡沫材料，用它制作的飞行器重量较轻，且十分坚韧、不易损坏。但魔术板质地较软，容易导致飞行器刚度不足、飞行性能欠佳。

要使魔术板材质的机体具备足够的刚度，就要在设计上下功夫。对于这架“枫叶”飞机，通过一些简单的手段即可解决这一问题。

首先，在机身上沿纵轴方向增加一片较窄的加强魔术板。该设计可以在增加很少重量的前提下，提高机体的刚度和强度。同时，由于加强魔术板较窄，对飞行时的气流影响很小，大部分气流都能平滑地流过机翼，为飞行器提供所需的升力。

其次，沿纵轴方向在机体上下表面分别粘接2 片窄魔术板，并使它们与机体垂直。从机头或机尾方向看，2 片窄魔术板与机体形成“十”字形布局。采用这种结构后，一方面，无论机体出现上下还是左右变形，都会被这个“十”字形布局限制住，最大限度地提高机体的刚度；另一方面，上下表面的魔术板充当垂直安定面，可增强“枫叶”的方向稳定性，下表面的魔术板还能充当握把，显著提高投掷的便利性。

魔术板质地较软，容易变形。

在机身纵轴方向增加一片加强魔术板， 对机身进行加强。

在机体上下表面分别粘接2 片与机翼垂直的魔术板，与机身形成“十”字形布局。

两片垂直于机翼的魔术板除了作为垂直安定面外，还可充当手掷放飞时的握把。

几种常见的飞机气动布局

我国空军主力战机歼10 和歼20 都是典型的鸭式布局飞机（陈学强/摄）

法国达索公司研制的幻影2000 是典型的无尾布局飞机

美国B-2 远程战略轰炸机采用飞翼布局，具备突出的隐身性能。

这些简单的设计手段十分巧妙和有效，既保证了“枫叶”飞机的轻盈，又最大限度提高了机体的刚度。

万变不离其宗的飞行原理

一架飞行器，不论外形多么奇特炫酷，其中的飞行原理是不变的。“枫叶”飞机形似枫叶，但本质上仍属于无尾布局的飞行器。

刚度指一个构件或结构抵抗变形的能力。刚度的大小不但与材料本身有关，还与该构件或结构的截面与形状等有关。强度指某种材料抵抗破坏的能力。强度的大小与材料本身的性质及受力形式有关。

飞机的气动布局可以简单地理解为机翼、尾翼和机身等各部件的相对位置关系。气动布局不同，飞机的飞行特性也不同。通常，飞机的气动布局可分为常规布局、无尾布局、鸭式布局和三翼面布局等。

常规布局指机翼在前、尾翼在后的布局形式。人们对常规布局飞行器的了解最深刻，理论基础最完备，技术最成熟，因而这种布局也最常见。当今几乎所有的民航客机和大多数通航飞机、军用飞机都采用常规布局。无尾布局指没有水平尾翼的布局。鸭式布局是控制飞机俯仰的水平尾翼移到机翼前方并被称为鸭翼的布局形式。人类第一架飞机莱特兄弟发明的 “飞行者一号”采用的就是鸭式布局。在常规布局的基础上增加一对水平前翼的布局叫三翼面布局。

采用无尾布局的飞行器，飞行特性鲜明。由于取消了水平尾翼，使得机翼内部结构空间增大、复杂度变小、重量减轻，而且阻力较小，配合使用三角形机翼后，非常适合高速飞行。但因为取消了水平尾翼，导致这种飞行器纵向稳定性变差，起降性能不佳。

“枫叶”飞机的结构布局示意图

将“枫叶”飞机左右机翼外侧同时向上弯折（联动），可起到升降舵的作用。

将“枫叶”飞机左右机翼外侧分别向上向下弯折（差动），可起到副翼的作用。

北京市朝阳区垂杨柳中心小学馨园分校的同学们展示自己制作的“枫叶”飞机（李晓宇/摄）

无尾布局飞行器的研究兴起于第二次世界大战后至20 世纪70 年代。当时，各国在研制战斗机时开始追求高空高速，一批高速机型应运而生。由于无尾布局的独有特点，十分适合高速飞行，因此取得了很大发展。无尾布局中还有一种连垂直尾翼和机身都省略掉，只剩下一副机翼的布局，称为飞翼布局。飞翼布局的阻力更小、空间结构更大，但安定性差，操纵性不佳，需要在强大的飞控计算机辅助下才能稳定飞行。

整体上看，“枫叶”飞机就是一架典型的无尾布局飞行器：“叶柄”是机头，主要起调节重心的作用；“叶片”是机翼，用于产生升力；分居两侧的“叶片”边缘起无尾布局飞行器升降舵和副翼的作用；垂直粘接的加强魔术板起垂直尾翼的作用，使机体具备足够的航向稳定性。

由于取消了水平尾翼和升降舵，无尾布局飞行器的控制方式比较特殊。机翼后的两个舵面，既是升降舵又是副翼。当两舵面同时向上或向下偏转（联动）时，起升降舵的作用，可改变飞机的俯仰姿态；当两个舵面分别向上向下偏转（差动）时，起副翼的作用，能使飞机围绕纵轴滚转。

“枫叶”飞机不仅外形符合无尾布局飞行器的特点，其控制方式也亦然。调整好重心后，当两侧“叶片”的后缘同时向上翘时，相当于升降舵向上偏转，产生抬头力矩使它向上飞；当两侧“叶片”的后缘同时向下翘时，相当于升降舵向下偏转，产生低头力矩使它向下飞；而当两侧“叶片”的后缘分别向上向下翘时，相当于偏转了副翼，两侧机翼升力不同，使它向升力较小的一侧滚转。通过这些调整，就可以控制“枫叶”飞机的飞行姿态，使它按照自己设定的方式飞行。控制“叶片”后缘的偏转角度和方向，再配合重心及不同的出手姿势，就能让“枫叶”飞机完成不同的飞行动作。

这么神奇的“枫叶”飞机你学会了吗？快约上小伙伴一起制作放飞，看看谁飞得最好！