【转殷麦曼】驯服鸭式翼飞机――浅谈鸭式翼气动平衡原理
本帖最后由 twototoo 于 2013-12-6 20:45 编辑驯服鸭式翼飞机――浅谈鸭式翼气动平衡原理
去年飞友裁军时，处于好奇相中了一架40级鸭式翼模型飞机。拿到飞机时，看成色较好，心里比较满意。但仔细打量，发现前起落架和机头罩有擦地痕迹，于是飞机会不会有什么问题的想法一闪过。
今年初开始试飞，问题显现了。第一次飞，起飞后升降舵回中时，飞机突然俯冲，我猛拉杆，飞机擦着地皮跃起。飞行中，只能老是拉80％的杆量才能平飞。降落时选了草地，损失不大，起落架弯了。回到家后琢磨，是不是重心靠前了，于是将机头上烟盒大小的铁质配重块去掉。第二次飞，由于自认为调整了重心就没有猛拉杆，结果是飞机刚飞到跑道头就平拍在草地里。回到家后再想，觉得还是重心靠前了，于是去掉了机头的最后一个大电容做的配重块。第三次飞，情况依旧。猛拉杆后开始以70度的角度爬高，左拐弯进入二边时，只见飞机出现侧滑，机头迅速冲下，不能改出，这次彻底炸机了。
三次失败的飞行，使我陷入久久的沉思，这可是一架成品机呀，不合格话怎会出厂呢？问题到底出在哪里呢？我下决心一定要搞明白它。几经学习归纳后，我终于找到了用简单的思路解决复杂问题的方法。虽然这些方法有一定的误差，但在实际飞行中适当作些调整，还是比较实用的。下面我就给大伙喷喷，不当之处多多指正。
一，鸭式翼飞机的气动平衡原理。
鸭式翼飞机和常规布局飞机的气动平衡原理是截然不同。常规布局的飞机是靠尾翼产生的是负升力来配平的，而鸭式翼飞机是靠前鸭翼产生的是正升力来配平的。飞机需要俯仰时，通过调整前鸭翼的升力大小来实现。前者就像一个人挑水，后者就像两个人在抬水。
二，鸭式翼飞机的重心的计算。
如果前后机翼的布局和安装没问题，飞机的重心就是能否正常飞行的关键了。
先复习两个要用的定义：(A)焦点。焦点的含义是，在一定速度范围内，无论是单独机翼还是整架飞机，都存在一个气动力矩不随迎角变化而变化的固定点，这个固定点就叫焦点。(B)静裕度。鸭式翼飞机的重心应该位于飞机总焦点前，距离等于后主机翼平均气动弦长的8－15％，这段距离叫做静裕度。在飞机的重心置于总焦点前的情况下，飞机在纵向姿态发生变化时，前后翼能够产生自动恢复到原来平衡状态的力矩，飞机始终处于静稳定状态。反之，将不能产生自动恢复到原来平衡状态的力矩，飞机始终处于静不稳定状态。同时，重心在静裕度的范围内，如果太靠前，则飞机操纵变得迟钝，甚至出现俯冲。如果太靠后，则飞机过于灵敏，不好操纵。由此可见，鸭式翼飞机的重心要求是非常高的。
重心的计算方法是：先算出前鸭翼的焦点，再算出后主翼的焦点，再量出两焦点的距离，再算出飞机的总焦点。最后，将重心置于飞机总焦点的前方。
好了。下面咱们就以我这架飞机为例，一块算算它的重心位置。
第一步，算出前鸭翼的焦点。前鸭翼是矩形翼，其焦点比较好找，在1/4弦长处。量得前鸭翼的弦长为120mm,那么120mm/4=30mm。即，前鸭翼的焦点在距机翼前缘30cmm处。
第二步，算出后主机翼的焦点。后主机翼为多梯形翼，梯形翼和多梯形翼就难一些了。其解决的思路是，须先找到其形心，那么通过形心的弦长就是平均气动弦长。平均气动弦长的1/4处，就是该机翼的焦点。具体方法如图：
（1）。找多梯形翼的形心。我们用比较简单的作图法来求解其形心，如图。先分别找到AB、CD、EF的中点，Q、P、M，然后连接PQ和MP。在AB的延长线上取BB1=CD，在DC的延长线上取CC1=AB，连接B1C1交于S1点，过S1作HG平行与AB。同样的方法，在CD的延长线上取DD1=EF，在FE的延长线上取EE1=CD，连接E1D1交MP于S2点，过S2作JI平行与CD。连接JH、GI和S1S2。在HG的延长线上取GG1=JI，在IJ的延长线上取JJ1=HG，连接J1G1交S1S2于S点。S点即为该单边翼的形心。（2）。找平均气动弦长。过S点的弦长即为平均气动弦长。我们量得平均气动弦长为269mm。（3）。找该翼形的焦点。该平均气动弦长的1/4弦长处，就是该翼形的焦点。该平均气动弦长为269mm，那么269/4＝67.25mm。最后依据该点在机身上的投影，量出到机翼最前端的距离为300mm。也即该机翼的焦点在从机翼的最前端算起的300mm处。
第三步，算出飞机的总焦点。依据鸭式翼飞机的气动平衡原理我们可以看出，在前鸭翼的力矩等于后主翼的力矩，飞机就能保持气动平衡。前翼力臂和后翼力臂的共同起始点，就是飞机总焦点。也就是说，前鸭翼的升力乘以前鸭翼焦点到总焦点的距离得出的力矩，因该等于后主翼的升力乘以后主翼焦点到总焦点的距离得出的力矩。不过按照我们现有的条件，测算出机翼的升力是不可能的。它跟飞行速度、飞行高度、机翼安装角、翼型、空气密度等等都有关系。我们可以简单的把机翼面积看作是升力的办法来解决它。其中，后翼由于受到前翼乱流的干扰，其升力会降低，凭经验按95％计算。这样，我们就得出了简单实用的计算飞机总焦点的方法（如图）。
我们把有关数据代入公式后，得出飞机的总焦点位于距前鸭翼焦点的434.3mm处。第五步，算出飞机的重心位置。根据静裕度的原理，取后主翼的平均气动弦长的8－15％。我选11％，即269mm*11％＝29.59mm，置于飞机总焦点的前方，这就是整架飞机的重心位置。即把重心放在焦点前的29.59mm处。
三，对照检查。回过头来再看我的飞机低头俯冲的原因，无怪有以下四个：1，前鸭翼升力不够。2，后主翼升力过大。3，发动机上推角过大。 4，重心严重靠前。那么问题到底出在哪里呢？我先对这架飞机进行了测量，其数据如下：前鸭翼安装角为0度，后主翼安装角为2.5度，发动机上推角为2度，重心位置是距前鸭翼焦点405mm。如图。
下面逐一对照检查：
1。前鸭翼。一般情况下要求前鸭翼安装角必须大于后主翼的安装角，这样才能具备前鸭翼先失速的特性。现在前鸭翼安装角小于后主翼的安装角，这是不对的。我把前鸭翼的安装角改为3度。
2。再看后主翼。原机为了提高低速飞行时的升力，后主翼安装角为2.5度，是可以理解的。但会造成主翼升力过大使飞机低头俯冲，所以改主翼安装角为0度。
3。发动机上推角。鸭式翼飞机发动机有一定上推角是对的，一般应在0度和上推5度之间。鸭式翼飞机的特点是机头可以向下，但不能向上。上推角过小或是负数时会造成抬头力矩过大，机头会不断上仰直至倒扣，这是非常危险的。有一定上推角使机头向下，反而倒是安全可控的。因我的飞机存在低头俯冲的问题，所以我将发动机的上推角减小为1度。
4，飞机的重心，按我的计算公式算出的重心位置与原机的重心位置基本相同，所以重心位置不作修改。如图：
通过以上修改后，开始第六次试飞（中间还不成功地飞过2次）。这次我接受了前几次急于上天，一飞就摔的教训，先在跑道上滑跑几次，看看是否正常。第三次滑跑时，当推2/3油门时飞机开始蹦蹦跳跳，很像正常布局飞机要起飞的架势。这时我果断拉杆，飞机平稳离地。一圈，两圈。。。我成功了。
四，谈谈鸭式翼飞机感受。
鸭式翼飞机在飞行操作上和正常布局的飞机没有明显的区别，其主要感受是：1，升力效率高。我用1\3油门即可正常飞行。由于飞机配平时前鸭翼产生的是正升力，所以飞机消耗功率少。2，不易失速。由于前鸭翼安装角大于后主翼的安装角，前鸭翼先失速，当飞机俯冲获得速度后，前鸭翼又先产生升力恢复正常姿态。当然这个优越性只有在有高度时才能体现。我试了一次失速，吃掉了约10多米的高度,能很快自动回复平衡。3，机动飞行时横向稳定性肖差。这是因为前翼会对后翼升力产生干扰，使其升力降低，并很容易造成两翼升力不一致。我做筋斗时，后半圈差点进入螺旋。在低速转弯时要倍加小心，也容易进入失速螺旋。4，姿态变化后自动恢复平衡的性能不如常规布局的好。比如拉杆后，须少量推杆才能恢复平衡。5，发动机后置，需人帮忙启动，很是麻烦，我就出现过一次严重打手事故。6，耍起来不如常规布局的好玩，若用混控可能好些。请看试飞图片。
在撸一遍。。。 我是个凑数的。。。 占位编辑 都是干货 .
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