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滑翔伞的结构与飞行原理

【滑翔伞的稳定性】


所有运动的物体,对其第一位的品质要求是稳定性。滑翔伞的稳定性是指当它受到外力扰动(多半为阵风、湍流或飞行员的短暂操纵)后,能自行恢复到原先状态(平稳直线飞行)的倾向或能力。简而言之,一具稳定的滑翔伞在遇到阵风干扰后能自动恢复到正常飞行状态或它在乎稳的气流中具有“脱手”飞行的能力。


为说明滑翔伞的稳定性,先让我们看一下它的三个旋转轴:横向轴、纵向轴和垂直轴。滑翔伞绕横向轴的转动称俯仰,即伞衣前缘上抬或下降,是攻角的变化;绕纵向轴的转动称滚转,即一侧伞衣向上或向下的运动;绕垂直轴的转动称偏航,它是伞衣一侧向前或向后的运动,也就是滑翔伞的航向变化。


滑翔伞的俯仰稳定性和滚转稳定性都是由摆锤作用引起的。在正常稳定飞行时,飞行员悬挂在伞衣下面(这与悬挂在细绳下面的一个重物,即单摆相似),此时气动力R与伞系统重量W大小相等,方向相反,整个力系处于平面状态。由于扰动(如迎面阵风的推动作用),伞衣与人体位置发生偏离,攻角加大,由于R与w不再作用在同一直线上,平衡状态被破坏,但由于力的偏移,这时会产生一个力偶或力矩,使伞衣恢复到非原先的位置(如图2-2b)。所以,滑翔伞的俯仰稳定性就是受到干扰,伞衣攻角变化后恢复到原先攻角状态的倾向。假如滑翔伞侧面受到阵风的吹袭冲击,一侧伞衣的翼尖上抬;另一侧下降,也会造成R与w的平衡被破坏,同样会在力偶的作用下产生一个恢复力矩,使伞衣绕纵向轴转动,重新回到我们的头项上方(如图2-2c),这就是滑翔伞的滚转稳定性。


滑翔的偏航和航向稳定性与上述情况不同。当滑翔伞的伞衣对风向发生偏航,伞衣的阴影面积是压力中心后部的面积(压力中心总是向上的气动力R的总合的点,也可看作是重心也作用在该点上)。在偏航状态中,伞衣在向后移动的一侧,根据经验处于较高的攻角,而向前的一侧处于较低的攻角位置,所以前者比后者产生更大的力,作用在向后一侧上后部的力结合通过系统质量中心的重力对伞衣产生修正作用,而使其脱离偏航状态,回到原先的航向上。


【转弯飞行】


滑翔伞在空中的转弯是通过拉下操纵绳,使伞衣一侧的后续部分向下弯曲,攻角加大,因而在气流的作用下,该侧阻力增大而升力被破坏。


一侧伞衣随着刹车施加而减速并轻微地下降,同时滑翔伞绕垂直轴转动使飞行方向改变,从而实现空中转弯。滑翔伞在转弯时,由于人体惯性力的作用,人体向外佣偏移并使伞衣处于倾斜状态。(如图2-5)需要指出的是,在拉下刹车进行转弯时,伞衣的倾斜角会随着刹车量的增加而加大,而由人体的惯性引起的离心力也会随刹车量和操纵速度的快慢而变化,拉动刹车越快,惯性力也越大。所以刹车操纵一定要适度和柔和,否则会导致严重后果。如果飞行员不断增加刹车量,则滑翔伞的盘旋转弯半径会随之越来越小,倾角变得陡峭并进入紧密的螺旋形下降,超量的刹车操纵甚至会导致进入危险的螺旋俯冲。产生这种情况的原因,是由于离心力与伞系统的总重量W相结合产生一个新的表现重力Wa。这个新的载荷大于w,也大于气动力R,由于升力不足以平衡wa的分力,所以会导致高度损失。这种情况如发生在低空则往往会导致坠地和造成伤亡的严重后果,这是需要待别引起重视的。一般情况下操纵滑翔伞转弯时,


滑翔伞与水平面的倾角不应大于45度。


【滑翔伞的最佳性能】


滑翔伞的性能涉及许多方面的问题,在此我们仅讨论与性能有关的几个主要指标,即滑翔比、下沉率和速度。


滑翔比直接与滑翔轨迹有关。所谓滑翔比是指在单位时间内滑翔伞向前运动的水平距离与垂直下降距离的比值或水平速度与垂直下降速度的比值。这个比值的大小在一定程度上反应了滑翔伞性能的高低。早期滑翔伞的滑翔比在3:1—6:1之间;而当代滑翔伞的滑翔比大多在5:1—9:1之间,部分竞赛型高性能滑翔伞的滑翔比已接近于10:1(即水平前进10米,垂直下降1米)。如图2-7表示了不同滑翔比的滑翔轨迹。图中V为滑翔伞的滑翔飞行速度,将速度矢量V相对于水平和垂直方向分解,即可得到其水平分量VH和垂直分量Vv,其中VH即为滑翔伞的水平运动速度;Vv即为滑翔伞的垂直下降速度。通过图形分析我们不难看出,由升力Y、阻力D和气动力R构成的三角形与VH、Vv和滑翔速度V(或滑翔轨迹)构成的三角形是相似三角形,L与R之间的夹角,与滑翔轨迹角b相等。所以,滑翔伞的滑翔比也可以简单地看作是升力L与阻力D之比。所以有:滑翔比K:YH/Vv:L/D。由此可见,要提高滑翔伞滑翔比的途径应该从加大升力,减小阻力着手,而决定伞衣最大滑翔比(L/D)MAX主要取决于翼型和展弦比。


下沉率是指滑翔伞在单位时间内的垂直下降距离,也即垂直下降速度Vv。一般说来,最小下沉率发生在我们飞得很慢的时候(比失速速度稍快一点)。影陶下沉率的主要因素是伞衣的翼型、尺寸与飞行员重量。


在实际飞行中,我们要改变飞行速度通常是使用刹车操纵来增加伞衣翼型的弯度,增加攻角来实现的,这种方式与通常飞放下襟翼的作用相似。当我们同时下拉左右侧操纵绳使伞衣的后缘向下偏转,就会减慢滑翔伞的前进速度和垂直下降速度,后者就是我们说的下沉率。

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