滑翔机

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滑翔机是一种没有动力装置的比空气重的固定翼飞机。起飞后,它完全依靠升力表面空气的反作用力进行自由飞行。它可以被飞机拖走,也可以被绞车或轿车拖走,也可以从高坡上滑翔到空中。在平静条件下,滑翔机依靠自身的重力势能在滑翔飞行中获得推进力。 滑翔机主要由主翼、副翼、扰流板、尾翼等结构组成,可分为固定翼滑翔机、动力滑翔机和其他类型。它的工作原理是基于1737年瑞士人伯努利提出的流线速度与压力关系的流线运动方...

滑翔机是一种没有动力装置的比空气重的固定翼飞机。起飞后,它完全依靠升力表面空气的反作用力进行自由飞行。它可以被飞机拖走,也可以被绞车或轿车拖走,也可以从高坡上滑翔到空中。在平静条件下,滑翔机依靠自身的重力势能在滑翔飞行中获得推进力。

滑翔机主要由主翼、副翼、扰流板、尾翼等结构组成,可分为固定翼滑翔机、动力滑翔机和其他类型。它的工作原理是基于1737年瑞士人伯努利提出的流线速度与压力关系的流线运动方程,即著名的伯努利定律。

1801年,英国的乔治·凯利爵士研究了风筝和鸟类的飞行原理,并于1809年研制出了滑翔机。1981年9月28日,美国运动员基尔肖夫和甘农驾驶一架双座滑翔机,在一天内飞行了5000多公里,创造了双座滑翔机往返距离的世界纪录。现代滑翔机主要应用于航磁测量和运动等领域。

滑翔机

滑翔机历史沿革

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1801年,英国的乔治·凯利爵士研究了风筝和鸟类的飞行原理,并于1809年研制出了滑翔机。1847年,76岁的凯利制作了一架大型滑翔机,两次带着一名10岁的男孩升空。一次它从山坡上滑下来,一次它被绳子拖走,在2-3米的高空飞行。四年后,一架人类控制的滑翔机第一次成功地飞离了牵引装置,凯利的车夫成为了第一个从地面自由飞行的人,飞行了大约500米。

1891年,奥托·李林塔尔制造了第一架固定翼滑翔机,两个机翼长7米,用竹藤布缝制框架。人的头和肩膀可以插在两翼之间,飞机装有尾翼。这架飞机的总重量约为2公斤,就像一只张开翅膀的蝙蝠。他把自己挂在机翼上,从15米高的山上跳下来,用他的身体动作来控制他的飞行。滑翔机在气流的影响下轻盈滑翔,安全降落在90米外,从而肯定了弯曲机翼的合理性。这是世界上第一个悬挂式滑翔机。1891年至1896年间,李林塔尔生产了5种单翼机和2种双翼机,并进行了2000多次飞行试验。1896年8月9日,他在雷诺夫山驾驶滑翔机时因强风坠毁,第二天死亡。

从1900年到1903年,莱特兄弟制造了三架滑翔机,进行了1000多次滑翔飞行。同时进行机翼和翼型实验,不断修正李林塔尔的一些错误飞行数据。最后,他们的第三架滑翔机在实验中取得了巨大的成功——他们已经能够进行长时间的有效控制滑翔飞行。

1914年,德国人哈斯研制出第一台现代滑翔机,不仅可以水平滑翔,还可以借助上升气流爬高,控制性能更加完善。

自20世纪20年代以来,动力滑翔机已经出现在一些工业化国家。这种类型的滑翔机配有动力装置,可以自行起飞。飞行过程中电源装置关闭后,可以继续滑翔和翱翔,需要时可以重新启动。

在第二次世界大战期间,大型滑翔机被用于向敌方战线空运武装人员和物资。虽然它的有效载荷相对较小(最大不超过6吨),但由于缺乏动力,它可以在夜间飞越严密守卫的战场而不被发现。

1959年,德国斯图加特大学研制出了第一台完全复合结构的滑翔机“Ph ö nix”。

1965年,NASA工程师Rogalo设计了一种飞翼,用于回收地面上的人造卫星。然而,由于它的体积太大,它没有被采用。经过他的改进,它被用于载人飞行,从而发展成为一种以罗加洛命名的新型飞机-悬挂式滑翔机。

1970年,美国设计了凌天科沃特L450F侦察滑翔机,这是60年代末研制的一种静音侦察监视飞机。美国在越南战争中使用过。飞机是基于SGS 2-32滑翔机和超过24小时的范围。

1985年,日本悬挂式滑翔代表团应邀来华进行表演和交流。

1997年,美国DAPRA公司投资3500万美元开始为期四年的扑翼滑翔机研究计划。美国加州理工学院、多伦多大学、佐治亚理工学院、佛罗里达大学、范德比尔特大学等机构已经开发出不同结构的扑翼滑翔机。其中,美国加州大学伯克利分校研制的“Machine Fly”襟翼滑翔机,总重量约为43mg,直径为5mm~10mm,由太阳能电池和压电驱动。

2022年7月,亚利桑那大学与美国国家航空航天局(NASA)合作开发了火星滑翔机,旨在研究火星上当前和过去的天气和气候活动。

滑翔机主要构造

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外部结构

主翼

机翼是滑翔机的重要组成部分之一,主要用于为滑翔机提供升力。当滑翔机飞行时,它受到气流的影响,倾向于两侧摇摆。因此,两翼需要稍微向上倾斜,形成一个向上的角度。从机身前部和后部看,两个机翼呈轻微的v形,以减少左右摇摆的倾向。滑翔机的机翼需要有足够的柔韧性,这样在飞行过程中遇到湍流时,机翼才能微微上下摆动,避免因变形而折断。

副翼

副翼联动,即当操纵杆向右转动,右副翼向上摆动时,同时左副翼向下摆动,这样滑翔机就可以沿飞行员右下方向滚动。

安装角

安装角度以飞机张力轴为基础,机翼弦线与张力轴之间的夹角主要影响滑翔机的俯仰稳定性。

机体材料

滑翔机常用的机体材料有铝合金、复合材料、碳纤维等。复合材料在滑翔机结构中的应用可分为三个阶段:第一阶段应用于载荷不重的简单部件,如各种盖、舵面、拖板、起落架门等;第二级用于承载能力较高的尾翼级主承重结构,如垂直尾翼、水平尾翼、全动平尾翼、鸭翼等;第三阶段应用于主要承重结构,如翼箱截面、机身等。由于其优异的重量和强度优势,碳纤维在滑翔机机身上有许多应用。例如,奥地利人菲利克斯·鲍恩加特纳驾驶一架碳纤维滑翔机飞越英吉利海峡,从英国的多佛到法国的加莱,飞行了33公里。

操纵系统

扰流板

当扰流板向上打开时,它会扰乱机翼上的气流,导致滑翔机减速并下降。此功能主要在着陆时使用。

水平尾翼

除了提供升力外,主翼还产生扭矩,使滑翔机沿着主翼展的轴向向下翻转。这是许多飞行先驱死亡的原因之一。水平尾翼的作用是提供扭力,纠正滑翔机的俯仰或俯仰上下,以确保飞行过程中的稳定性。

垂直尾翼

尾翼分为垂直尾翼和水平尾翼。垂直尾翼用于保证模型飞机的纵向稳定性,而水平尾翼则可以调节和稳定尾翼气流,提供一定的升力,并通过提供扭矩来调节飞机的俯仰。

升降舵

升降舵也是用驾驶杆操控的。当驾驶杆向后扳,升降舵向上摆,机头朝上;驾驶杆向前推时,升降舵下摆,机头朝下。

方向舵

方向舵由脚踏板控制。当驾驶员踩左脚踏板时,舵向左摆动,机头向左转动;踩右脚踏板,向右摆动舵,机头向右转动。简单地操纵舵只能改变滑翔机的位置,不能使滑翔机转向。滑翔机有很强的直线飞行惯性(牛顿第一定律),转动方向舵可以引起横向滑翔,就像驾驶一辆急转弯的快车一样。在急转弯时,路面通常会倾斜,以防止汽车滑倒并向侧面移动,但滑翔机在空中是自由的。为了使滑翔机不打滑,副翼和方向舵必须同时操作。它在英语中被称为银行,意思是银行转弯。

气动外形

在气动性能方面,滑翔机的设计考虑了阻力、升力和在大气中的稳定性等因素。通过优化机翼、机身和机尾的形状、尺寸和布局,可以使滑翔机具有更好的气动性能,实现更稳定、更高效的飞行。该方法能够以较低的计算资源成本快速获得滑翔机的最佳气动形状;双曲面翼型的气动特性优于六边形翼型,叉形尾翼的静稳定性和控制效率均高于十字形翼型;优化后的形状大大增加了滑翔机的滑行距离。

导航通信系统

滑翔机的导航系统通常包括GPS、惯性测量单元(IMU)、高度计和自动驾驶仪等部件。

GPS可以提供位置信息,帮助飞行员确定滑翔机的位置和航向。IMU可以提供姿态和速度信息,帮助飞行员控制滑翔机的飞行姿态和速度。高度表可以测量滑翔机的高度,帮助飞行员控制飞行高度。自动驾驶仪可以按照预先设定的路线自动控制滑翔机的飞行,帮助飞行员完成导航任务。

在动力滑翔机的导航过程中,飞行员需要提前规划路线,并将相关信息输入到导航系统中。在飞行过程中,导航系统会根据接收到的GPS信号、IMU信号和预设的航线信息,自动控制滑翔机的飞行。飞行员只需要监控滑翔机的飞行状态和导航系统的运行情况,必要时进行人工干预即可。

滑翔机基本原理

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为了飞行,滑翔机必须用升力克服重力,用推力克服空气阻力。升力主要是由机翼上下表面的压差产生的。亚音速飞机翼型(翼截面)大多近似上下对称,以减少阻力,而滑翔机翼型通常类似于克拉克Y翼型(典型的上凸下平),可以增加无动力滑翔机产生的升力,增加升阻比,延长悬停时间。

滑翔机起飞后,除非遇到上升气流,否则空气阻力会逐渐降低飞机的速度,升力也会越来越小。重力大于升力,飞机会飞得越来越低,最后降落在地面上。为了让滑翔机飞得又远又长,它们必须有很高的升阻比,这就是为什么滑翔机的翅膀如此纤细。如何打破停滞时间和飞行高度的记录是滑翔机设计和制造的最大挑战。

滑翔机相关技术

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滑翔机使用上升气流作为飞行动力,大气中的上升气流分为三种类型:热量上升气流、地形上升气流和锋面上升气流。因此,在滑翔机中也出现了“热气流滑翔”、“动力气流滑翔”和“波浪气流滑翔”三种技术方法。

热气流滑翔

热空气滑翔是指地球不同表面受到阳光的不同加热,导致地面上空空气温差的现象。因此,高温气团的密度减小并缓慢上升;温度越低的气团密度越大,逐渐下沉,产生空气的垂直运动,形成向上和向下的气流区。通过观察地形和积云,驾驶员可以识别上升气流区,并利用上升气流区到达一定高度,然后滑下,飞向另一个上升气流区,恢复下降过程中下降的高度。这种循环使得无动力滑翔机可以滑翔很长的距离。

动力气流滑翔

动态气流滑动是指当风吹向合适的坡度时,沿坡度向上滑动,在坡度迎风侧形成上升气流区。当飞行员沿着斜坡的迎风面飞越山顶时,他们往往处于上升气流区,可以翱翔很长时间。在坡度合适的海岸斜坡上,也可以进行动态空气滑翔。

波状气流滑翔

波状气流滑翔是指风吹过山脊顶部时形成的波状向上的气流。豆荚状云的出现是产生波浪气流的象征。高积云和积云也是上层大气中波浪状上升气流的标志。飞行员在波浪状上升气流中飞行,可以进行高空飞行,有时可以达到1万米的高度。滑翔的高度记录多是在波状气流滑翔过程中产生的。这种向上气流的均匀性和强度有时令人惊讶。例如,美国落基山脉的毕旭甫坡和山顶上的波浪气流曾使滑翔机飞到14320米的高度。如果用牵引机牵引滑翔机进入地形斜坡的上升流区,滑翔机平行于波峰飞行,不断利用上升流气流逐渐到达平流层高度(55公里以下)。有足够高度的滑翔机可以利用高空喷气机进行长距离飞行,最长滑翔距离可达1250公里。

滑翔机分类

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动力滑翔机

自20世纪20年代以来,动力滑翔机已经出现在一些工业化国家。这种类型的滑翔机配有动力装置,可以自行起飞。飞行过程中电源装置关闭后,可以继续滑翔和翱翔,需要时可以重新启动。目前,一些国家将动力滑翔机列为官方型号,并颁发证书。动力滑翔机具有结构简单、速度慢、安全、经济、易学等特点,适用于普及活动。由于依靠自身动力起飞,使用场地小,有利于加快训练过程,提高训练质量的优点,动力滑翔机是一种很好的节能飞机,因此受到从事航空运动人士的欢迎。

固定翼滑翔机

最早的固定翼滑翔机是1783年法国人拉布雷克设计的木质滑翔机,并成功地进行了滑翔实验。固定旋翼滑翔机以其垂直起降、高速、长航时等特点,广泛应用于电力巡逻、安全防爆、航空摄影、测绘等领域。主要包括机体、动力系统、飞控系统、数据链系统、发射回收系统。

悬挂滑翔机

1965年,NASA工程师罗加洛设计了一种飞翼,经过他的改进,发展成为一种以罗加洛命名的新型飞机——悬挂式滑翔机。悬挂式滑翔机是一种简单的滑翔机,没有起落架和驾驶舱,飞行员悬挂在升力面以下滑翔。悬吊式滑翔机根据机翼结构可分为两种:一种是像轻型滑翔机一样的硬翼;一种是伞翼。后者在国际上比较普遍。
悬挂式滑翔机的起飞方法比较简单。飞行员手持轻便的伞翼,在地面或下坡上逆风飞行。只要能抓住伞翼的迎风角度,就能飞起来。这种类型的滑翔机操作简单,一般情况下一天就能学会操作,几个月就能进行特技飞行。驾驶这种类型的滑翔机可以让人们像鸟一样在空中飞行,如果利用上升气流,他们可以飞得更高。悬挂式滑翔在一些国家已经成为一项流行的航空运动。悬挂式滑翔协会在国际上成立,每两年举办一次国际比赛,包括定点、空中过关、飞行距离等项目。

折叠式悬挂滑翔机

第一次世界大战期间,奥地利人约瑟夫·弗朗茨·瓦尔德克发明了可折叠悬挂式滑翔机。折叠式悬架滑翔机是一种简单的滑翔机,没有起落架和座舱,飞行员悬挂在升力面以下滑翔。悬吊式滑翔机根据机翼结构可分为两种:一种是像轻型滑翔机一样的硬翼;一种是伞翼,在国际上得到了广泛的发展。

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词条目录
  1. 滑翔机历史沿革
  2. 滑翔机主要构造
  3. 外部结构
  4. 操纵系统
  5. 气动外形
  6. 导航通信系统
  7. 滑翔机基本原理
  8. 滑翔机相关技术
  9. 热气流滑翔
  10. 动力气流滑翔
  11. 波状气流滑翔
  12. 滑翔机分类
  13. 动力滑翔机
  14. 固定翼滑翔机
  15. 悬挂滑翔机
  16. 折叠式悬挂滑翔机

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