◎ 吴成第
莱特兄弟发明飞机的动力,是希望人类能够跟鸟一样在天上飞。许多人的梦想也是一飞上青天,所以甚至有了太空计画。倘若单纯讨论「飞的慾望」,不只是成功发明载具,每一种飞翔的方式,都是人类所渴望的。相信每一个人都想过,要如何以自己的力量完成飞行的壮举。
当我们看著青天,想像鸟类能够自由翱翔的时候,我们只注意到抵抗地球引力,不必再顺著地表活动。但是,鸟类的飞翔目前不是我们能够达到的,所以聪明的科学家不停寻找每一种可能,让我们能够享受飞的愉快。现在常常可以看到,各种飞行物的竞赛或活动,飞行伞、滑翔翼等等,是继飞机之后,大家很喜欢的飞行物。这些飞行物的共同特徵,就是能够让人享受飞行的快感。
飞行娱乐,往往要花上许多金钱与技术,总被评定為贵族的娱乐,但是如果不那麼计较亲身体验飞行,飞行的娱乐还是可以藉由不同的东西达到目标,例如:纸飞机、水火箭、橡筋机、手掷滑翔机(hand launched glider)等。
手掷滑翔机简称手掷机,是以手臂与全身的力量投掷,作為飞机的主要推力,以此推力產生速度,并藉由主翼提供的「升力」,使手掷机能够在空中滑翔。基本上,手掷机无法控制滑翔的高度、远近,也没办法控制空中滞留时间或是行进方向。
看到这裡,很可能会疑惑,如果什麼都不能控制,那手掷机有什麼好玩?所有可以飞行的东西都有一个特色,就是能暂时抵抗地球引力,暂留在半空中。但是,如何能够滞留空中?这便是一门大学问。
就像飞机画过天际,留下长长的云雾尾巴,看起来好像轻鬆自在,但飞机就像鸭子滑水一般,是费了很大的精力才能起飞。如果坐过飞机,回想一下起飞前,飞机在跑道上加足马力时,引擎高速运转,快速往前冲,听到的噪音是让你想要忘掉也难的高分贝,可以达到120分贝。如果没坐过飞机也不要紧,我们马上就要开始介绍,為什麼飞机能够飞行。
有一个人名叫白努利(Daniel Bernoulli,1700-1782),他的名字并不是因為他做了很多浪费精力的事,而是我们音译的时候,刚好就选了这三个字。他的名字听起来很可笑,但他在1738年提出白努利方程式后,他的名字在物理学界上留下了一席之地。白努利方程式是能量守恆的一种特例,但是却解决了我们一直寻找的「升力」问题。
白努利方程式是流体力学中,非常重要的一个方程式,因為他可以告诉我们一个非常重要的观念,就是「在同一高度,流速较大的地方压力较小,流速较小的地方压力较大」,我们称之為白努利定律。
我们知道,如果我们对一个物体施力,往下压的力量小於往上抬的力量,最后这个物体会被抬起来。换句话说,如果我们想要飞机能够飞行,只要让飞机往上升的力量,大於往下压得力量就好。这是一个很简单的道理,但是要如何做到呢?白努利定律提供了一条捷径。
依照抬物体的方式,如果我们让飞机上方的压力小於飞机下方的压力,飞机就可以浮起来。配合上白努利定律,让飞机上方的流速大於飞机下方的流速,不就可以了吗?但是问题没有这麼简单。重新思考白努利定律,他要求必须在同一高度,我们又不能把飞机压得跟张纸片一样薄,这样就算飞上去,也不能载人,就失去了飞机的意义。而我们又要如何才能让飞机上下產生空气的流速差呢?
还好这一切都有解决的办法,我们只要有薄薄的机翼让他跟机身连在一起,不就可以飞了吗?至於流速的问题,我们就在机翼上动脑筋。如果空气像是两匹千里马冲向机翼,接触到机翼的时候,因為互不相让,一匹马选择走上方,另一匹选择走下方,但一定要同时抵达机翼末端。此时,路径远的,一定跑的比路径短的快,因為速率等於距离除以时间,时间相同,距离远的速率大。
因此,我们只要让机翼上下的边缘长度不同就好,所以我们就设计机翼下缘是平的,但是机翼的上缘却像山坡一样,增加长度。设计了小山坡,最高点成了问题,因為最高点太高空气会爬不上去。而过了最高点,空气会沿著往下的路加速,所以我们必须取中庸之道,让最高点在最合适的位置。
由以上来看,我们应该说「升力」其实是浮力,因為是下面的力托著飞机往上。解决了浮力的问题,我们可以来思考一下简单的次要问题,就是速度如何產生。现在来看,速度產生很简单,加上引擎就可以。但是,如果我们要面对的是没有任何推力的手掷机,就不是加上引擎可以解决。
手掷机,顾名思义是以手投掷,其实手投掷时出的力,就好像飞机引擎的力一样,可以使手掷机產生速度,只是这个推力,在离开手之后,我们就不可能增加,因為我们不可能抓著飞机跟著跑。倘若一直抓著飞机,就跟拿辆玩具汽车在空中比画一样,又不算飞行,还有什麼好玩。因此,手掷机虽然不能像飞机一样有持续的动力,投出去后也不能改变它,只算是它自己滑翔,与真正的飞行还有一点距离,但是其中有趣之处,却远远超乎我们的想像。
让我们来比较一下飞机与手掷机。飞机有引擎,手掷机有手来当动力;飞机有机身,手掷机有一根木质机身;飞机有大片的主翼,手掷机也有由巴尔沙木(Balsa)製成的主翼;飞机有垂直尾翼跟水平尾翼,手掷机有巴尔沙木做的垂直尾翼跟水平尾翼。若要说整个由木头製成的手掷机跟飞机比,可以说是麻雀虽小,五臟俱全。
手掷机这个小麻雀,用的是天然材料,像机身就是由巴尔沙木或白杨木製成,其他各部分则是使用巴尔沙木。巴尔沙木是一种產於西印度群岛的轻木,一般我们看到质量很轻的工艺或美术木料,就是巴尔沙木。白杨木则是我们用来做火柴棒的木头,质量比巴尔沙木大,但也比巴尔沙木坚硬,所以容易受损的机身通常会使用白杨木。
以机身来说,每当手掷机落地时,最容易受到冲击的就是机身,很有可能机头俯冲著陆,当场跌断身骨。如果不够坚硬,每丢一次就坏一架,玩的心情会大大受损,所以要使用质轻但较硬的木头。為了符合「流线型」,减少阻力,我们通常会将机身才成前大后小的形状,并以沙纸磨光滑,以减少阻力。
尾翼是整架手掷机中,影响最少的部位,但是垂直尾翼却能够决定方向。就好像行船时,尾舵可以控制船行的方向一样,因為垂直尾翼受力的方向是左右,不像其他机翼都是上下,所以需要有垂直尾翼稳住方向。看起来不是提供主要升力的水平尾翼没什麼存在价值,实际上,它的功用稳住机身,减少转圈圈的危机。虽然翻筋斗很好看,但丢出去的飞机滚几圈摔下来就不好玩了,所以要有水平尾翼,打消主翼的坏心眼,手掷机才能平顺滑翔。
主翼是手掷机最主要的部分,提供滑翔的浮力。所以主翼的设计,是最重要的一环。一般来说,手掷机主翼的设计跟飞机的几乎一样,只是手掷机的只要管做出翼形(纵切面的形状)就好,做出有最高点的翼形,使其能够產生浮力就可以了。
大致上来说,这样就可以做出一架手掷机,只是在组合的时候,需要注意机身要黏主翼与尾翼的地方,不能磨光滑,因為接著剂能够黏著的原因,是因為它能够侵入缝隙,像是在抓鰻鱼的时候,鰻鱼吃了饵,又用尾巴勾著石洞两边拔河一样,所以如果磨得光光滑滑,就没办法好好黏住。
做好了手掷机,还有一件非常重要的工程要做,就是配重。我们做手掷机的时候,只会针对手掷机的各种比例,调配位置,但是我们不知道它的重心在哪,飞的时候会不会头重脚轻,或是直接被尾巴往下拽。所以,我们要拿起来测试,看看它是不是机头完美往上倾斜的状态,如果不是,就要利用铅片、铜板等重物调整,让它成為最优美的飞翔姿势。
丢飞机也是要有技巧的,当做出了手掷机之后,会先试滑几次,看看它滑行的状态是否平稳,如果不平稳,再利用配重调整。调整好确定没问题之后,才会尽情投掷,让手掷机奋力滑翔。其实,手掷机的做工都不算什麼大问题,细心点就可以了。但是,投掷的时候,却要好好评估,找到最适合的方式,手掷机才能滑翔得最远、最久。
拿一颗球玩报数的时候,我们都知道越奋力往上丢,落下来的时间越久,因為多了一段向上的时间。手掷机如果要滞留在空中,当然最高点离地越远越好,但这不是代表往头顶上丢最好。
往头顶上丢的时候,產生浮力的主翼与地面垂直,跟之前白努利定律强调的「同一高度」不合,没办法產生足够的浮力,反而只会倒栽葱。如果平平往前投射出,能够有足够的浮力,却没办法大量提升高度。因此,提升高度的方式,是靠投掷的技巧。
一般来说,投掷的角度在30度到45度之间最好,因為我们不只要高度,还要最远距离,行径路径越长,留滞时间也会越长。水平行径路径,要以45 度来得最好,但是以我们手掷的误差来说,30度到45度都不错。因為每个人的力气不同,角度越大,需要越大的力气投掷,不然无法达到完美的飞翔高度,所以如果没力气投到30度,也可以测试自己要怎样的角度投掷才最好。
手掷机迷人的地方在於全部都可以自己动手做,而且做出来的东西还可以依照自己的意思改良,甚至连飞翔也是靠自己,做完一架手掷机出去试飞的时候,是最有成就感的时刻。而且手掷机可以不停测试,找到更好的方法飞翔,摔伤了还可以修一修再飞,就算修不好重做一架也不是难事。
这些只是飞行的初步,学会了初步的飞行,渐渐就可以明瞭,為什麼飞机是前无仅有的伟大发明。在还无法独立飞翔於空中时,製作手掷机是个简单的方式,还可以藉由製作过程,以及排除疑难杂症的时候,一点一滴学到飞行的技术。
亲子一起飞行是很多人的梦想,只要有空地就可以玩手掷机,甚至室内有足够的空间,也可以设计适合室内场地的手掷机。加上手掷机的原理,就是飞行的基本原理,又是自己可以触碰到的物品。所以说,手掷机简单又省钱,飞翔不必靠他人。
这是一位航模界的前辈吴明德先生的文章。
资料来源:中正航空校友会网站
手掷滑翔机的初步设计概念 吴明德
似乎大家看到手掷滑翔机,都觉得那只是比纸飞机高级一点的航空模型,随便做做都能飞,谈不上什麼设计理论,可是同一张设计图,每个人做出来居然差别很大,这是什麼原因呢?以下本文将逐一探讨设计概念。手掷滑翔机要飞的久,第一、投掷要高;第二、滑翔要好,两大基本概念。
一、投掷方法:
一般手掷方式又垂直掷法和迴旋掷法,虽然迴旋掷法是初学者较易掌握的方法,利用扭腰转身将手掷机迴旋掷上去,飞机投掷高度不高,但也不易失速坠地,飞机的上反角不需要太大,水平尾翼面积亦不用太大,飞机儘可能做轻一点、表面的粗糙程度不是太重要,但是水平尾翼的倾斜要逐够,才能迴旋滑翔。
垂直掷法是在助跑两、三步后过肩向前用力掷去,爬升高度可达迴旋掷法的两倍以上、但是投掷技巧要好,以免失速坠毁,而飞机要具有适当之重量,才能有足够的惯量克服空气阻力,又要有足够的安定性(上反角与尾翼面积够大)才可以在达到最高点后自动修正滑翔。
二、滑翔变因:
可以藉由翼面荷重减少,让滑翔速度变慢增加滞空时间,或是以略為加快飞行速度,增加雷诺数,提高滑空比性能,间接减少下降速度。
三、主翼外型:
一方面要减少投掷阻力要翼展减短;又要提高滑空比主翼翼展加长。此外,还要考虑雷诺数不能太小影响滑空性能,所以翼弦也不能窄。最后,手掷机的展弦比一般在4~5.5间,厚弦比在5﹪~7﹪之间最适合。一般身高在175㎝左右的人,适合15英吋~17英吋翼展手掷机
四、机体重量:
一方面要够重以方便投掷,一方面要够轻减少飞行沉降速度,所以重量要适度。机首配重调整飞机正确的重心位置,而机首配重与稽首长度有关,如果机头长一些可以减少配重,进而降低机体重量。但是机首过长,增加转动惯量,不利於垂直掷法的翻滚动作,极易失速坠落,若是机头减短,配重将增加,利於增加投掷高度,但是飞行速度提高,可能略微影响滑翔沉降率。
五、飞行姿态:
可以分成两类:高攻角小迴旋半径与小攻角大迴旋半径。如果採用高攻角,可以不必投掷高,一下子就翻滚进入滑翔阶段。一般是用迴旋掷法投掷,等到滑翔时,因攻角大,阻力、升力都大,滑翔速度慢,但也较易失速,所以利用小迴旋半径,将升力的水平分力作為向心力旋转飞行,极适合小场地、风速低的环境飞行。另一类飞行姿态是採用小攻角、大迴旋半径以小攻角的极低阻力争取投掷高度,并有直线爬升的特性,利於垂直掷法,另一方面由於飞行速度大,不利於迴旋,且大迴旋半径的升力,不会因机身侧顷而减少。但是却需要较大场地以免难以回收。
现在我概略分析两类手掷机设计:
垂直掷法:投掷高
主翼、尾翼装置角0o,-0.5o;阻力小,爬升高且直
迴旋掷法:滑翔好
主翼、尾翼装置角0o,-1o;提高升力、阻力;减低飞行速度,增加滞空时间。