研讨风筝的飞行原理 学好用好空气动力学
2013-06-03 10:19阅读：
研 讨 风 筝 的 飞 行 原 理
学 好 用 好 空 气 动 力 学
先后拜读了H鸢友在《风筝》杂志发表的数篇文章，笔者深切地感到，讨论的焦点不仅仅在于某些个别的论点上，而问题的关键在于首先要弄懂什么是空气动力学？如何运用其原理来指导风筝的实践。脱离了空气动力学，甚至连力的三要素都弄不明白的情况下来研究问题，就没有共同语言，也不会收到事半功倍的效果。为此，笔者试图从最基本的概念出发，谈谈个人的意见。不妥之处，还请H鸢友赐教，也恳请风筝同仁斧正。
共 性
与 个 性
共性和个性，是事物之间存在的两种属性。个性是指一事物区别于其他事物的个别的、特殊的性质。共性是指同类事物所共有的普遍的性质。个性使事物具有自己的特点，是世界各种事物千差万别的原因；共性使事物互相联结，使世界成为有机的整体。共性是绝对的，个性是相对的。每一事物都包含着共性和个性，都是共性与个性的辩证统一。不论是飞机、滑翔机、飞机和滑翔机模型，还是各式各样的风筝，它们既有共性，也有个性。不能只讲共性不讲个性，也不能只讲个性不讲共性。例如，飞机有发动机，风筝则由人在地面通过牵引线来操纵，这些都属于个性。同时也应看到，它们都是运用空气动力学原理而制造的飞行器，都靠拉力来起飞，都用升力来克服重力，这些都属于共性。共性存在于个性之中，无个性即无共性。个性不能离开共性而存在，无共性也无所谓个性。笔者翻阅了H鸢友撰写的《风筝、飞机的“泄”与“迎”》及《“飘浮”盘旋风筝的首要特性》以及以前发表的文章，他只强调风筝与其它飞行器的个性差异，而不谈共性，似乎
有个性差异就没有共性，将共性与个性割裂开来，确实令人不解其故。他虽然口头上承认应用空气动力学来研究问题，却列举了风筝与飞机之间的“被动与主动”、“水平运动的差异”、“同等角度的比较差异”等等，恰恰忘却了二者之间存在的共性，而且片面地用个性来否定共性，提出用“飞机理论”来代替“风筝理论”这一错误命题。笔者认为，不论飞机也好，风筝也好，都是运用空气动力学研制的，属同一理论，根本不存在谁代替谁的问题。
绝 对 运 动 与 相 对 静 止
运动是物质共有的属性，是物质存在的形式。世界是物质的，物质是运动的。世界上没有不运动的物质，也没有离开物质的运动。物质运动是绝对的，无条件的；静止是相对的，有条件的。运动和静止是对立的统一。没有运动就没有静止，静止在运动中存在；没有静止也无所谓运动，绝对运动包含着相对静止。例如，空中的风筝在一定的条件下可以悬停不动，处于相对静止状态。此时并不等于相对气流消失，仍以一定的速度流经风筝，从而产生升力与重力平衡，用拉力克服阻力，这是绝对的动态。也就是说，悬停的风筝对地面来说是不动的，相对静止的，即通常所说的“地速”是不变的，而此时风筝与空气来说是运动的，绝对的，即通常所说的“空速”是存在的。如果否定了相对性，那风筝为何悬停不动？如果否定了绝对性，那升力是如何产生的？H鸢友列举“飘浮”来说明“泄风”的作用，认为“这时的风筝处于无阻力、无动力的飘浮状态中”，笔者百思不得其解。风筝在起飞时通过牵引线的拉力达到一定高度后，由停止收线转入放线，风筝上的拉力由大变小最后消失，风筝就会转入下降（如传统风筝）或进入盘旋（如盘鹰），此时升力、阻力和重力都在发挥作用，阻力不会消失，也不会出现“放飞过程不受风的一种现象”，更不是“决定风筝盘旋的关键”。而当放飞者停止放线或收线时，拉力又开始发挥作用，风筝就会上升或上升转弯，改变了原有的飞行状态和飞行轨迹。不论是收线、停轮还是放线，风筝都会由平衡转为不平衡，又由不平衡转入平衡，风筝始终是在气流中运动的，是绝对的。而人们观察空中的风筝静止不动飘浮着，则是有条件的，是相对的。
平 衡 与 不 平 衡
平衡与不平衡，既是个力学问题，也是个哲学问题。所谓力学，是研究物体机械运动的规律和应用的科学。空气动力学是力学的一个分支，是专门研究物体与空气作相对运动时彼此之间的相互作用及其规律，并探讨应用这些原理去解决实际问题的科学。研究力学离不开力和力距的概念。使物体由静止到运动，或使运动的物体静止，或改变物体运动速度的作用叫力，其作用点、大小和方向称为力的三要素。所谓力矩，是表示力对物体作用时所产生的转动效果。力矩的大小等于力和力臂的乘积。力矩越大，转动越快，原有的状态越易改变。力和力矩的平衡与不平衡，是决定飞机和风筝能否平稳飞行的根源，是飞行姿态变化的关键所在。飞行器在空中的一切旋转运动，都是围绕着通过重心的立轴、横轴、纵轴而进行的。围绕立轴的左偏力矩和右偏力矩是影响方向的偏转力距；围绕横轴的抬头力矩和低头力矩是影响俯仰的翻滚力矩；围绕纵轴的左倾力矩和右倾力矩是影响倾斜的滚转力矩。力矩平衡，就能保持原有的飞行状态；力矩不平衡，就会改变原有的飞行状态。盘鹰风筝进入和退出盘旋的过程，就是力矩由平衡转入不平衡的过程。保持盘旋的过程，就是保持力矩平衡的过程。平衡与不平衡是运动的两种不同状态，二者是相对与绝对的关系。平衡是暂时的，有条件的，相对的；不平衡是经常的，无条件的，绝对的。平衡中包含着不平衡，不平衡寓于平衡之中。没有平衡就没有不平衡，没有不平衡也无所谓平衡，二者是对立的统一，风筝的飞行状态，就是平衡与不平衡相互转换所决定的。
风 与 相 对 气 流
风与相对气流虽然都属于空气的流动，但不是同一个概念，二者不可混为一谈。我们通常所说的风，是指水平流动的空气。上下流动的空气称为对流。其中向上流动的叫上升气流，向下流动的叫下降气流。空气的流动还有一种为不规则流动，如旋流、涡流、紊流。风筝通常在有风的正常天气放飞，放飞者背着风的来向，使风筝逆风而飞。有的风筝（如盘鹰）可在无风的天气和室内放飞。相对气流是指空气与参照物（如飞机、风筝）作相对运动时的气流。对风筝而言，不论是有风还是无风，只要在空中飞行，风筝与空气作相对运动，流经风筝的气流就是相对气流。相对气流的大小用气流的速度来表示。风是有方向的，风向指的是风的来向，而不是风的去向；风是有大小的，用风力等级来表示。风筝在空中飞行，当时的风速一般不等于相对气流的速度。只有风筝在空中悬停不动时，风速才等于相对气流的流速。在风速不变的逆风情况下摇轮收线或牵着风筝逆风跑动，相对气流的流速大于风速，风筝会上升。在风速不变、风筝悬停不动时放线，相对气流的流速小于风速，风筝会下降。在逆风的风力超越了风筝的抗风能力时，风筝两翼严重变形，处于不正常的飞行状态，常常越收线越下降，而在放线后风筝处于允许的范围后，风筝恢复了正常的飞行状态，风筝虽向远去反而会上升。这种现象并不能说明风筝是“顺风而行”，仍然是逆风而飞。除此特殊情况外，一般收线时升力增大，风筝的飞行轨迹向上弯曲；放线时升力减小，风筝的飞行轨迹向下弯曲。风筝（特别是盘鹰）在放飞时，有上升、下滑、盘旋等不同的飞行状态，常会遇到上升气流或下降气流，甚至会遇到旋流、涡流或紊流，作用在风筝上的力和力矩会随之而变化。这就要求所放的风筝要有良好的恢复平衡性能。没有质量上乘的风筝，便不能适应复杂的气流变化。
迎 角 与 升 力
风筝能从地面升起，并在空中飞行，必须有一种力来克服地球对它的吸引力（重力），这个力就是升力。没有升力，风筝是飞不起来的。要想获得升力，必须靠牵引线的拉力来获得速度，在风筝的上下有相对气流流过；同时，风筝与相对气流还要有一定的迎角，使风筝上下的相对气流流速不同，形成上下的压力差，这样才能产生升力。相对气流和迎角是产生升力的必要条件。有相对气流而没有迎角，也不能产生升力。例如，我们把传统风筝的提线拴在风筝的最前端，使风筝处于零迎角状态。这时相对气流流过风筝时，只能产生较小的阻力，而不能产生升力。若将上下提线长度相等、风筝与地面垂直时，只能产生很大的阻力，也不能产生升力。只有将上提线短于下提线，风筝在飞行中呈斜立状态时，相对气流与风筝平面形成一定的迎角，风筝才能产生升力。有了升力，用以克服重力，风筝才能飞起来。有相对气流而没有迎角，风筝是飞不起来的。因此，否认迎角的观点，是不符合空气动力学的无稽之谈。在正常范围内，流速不变时，迎角大，升力大；迎角小，升力小。当迎角增大到临界迎角时，此时升力不但不会增大，反而会急骤减小，风筝便会失速，不能正常飞行。风筝平面在飞行中与地平面形成的仰角，不同于迎角，但仰角用肉眼可以估计迎角的大小，可以作为调整迎角的参考。盘鹰的迎角，除与重心位置有关外，在牵引的时候与提线位置也有关。我们在放飞时要认真调整提线的位置，调整到最有利的迎角，使风筝上升时爬高快,
上升角大,
牵引高度高,有利于飞行。盘鹰的提线，一般拴在重心靠前的位置。例如，在盘鹰起飞上升时，若仰角过大，摇轮收线吃力，盘鹰仰头不易爬高，说明提线位置靠后，迎角过大，应将提线适当前移；在盘鹰起飞上升时，若仰角过小，摇轮收线无力，盘鹰低头不易爬高，说明提线位置靠前，迎角过小，应将提线适当后移。
升 力 与 阻 力
风筝飞行要靠升力来克服重力，但产生升力的同时也产生阻力。升力与阻力如同孪生兄弟，相依相伴，相生相长。升力增大，阻力也随之增大;
升力减少，阻力也随之减小。世界上没有只产生升力而不产生阻力的风筝。只有将提线拴在风筝的最前端，平面风筝没有迎角时，会出现只有阻力、没有升力的现象，这样的风筝是飞不起来的。要提高风筝的飞行性能，人们总是想方设法增大升力，尽量减少阻力，同时减轻风筝的重量。升力与阻力之比叫升阻比。升阻比越大，风筝的性能越好；升阻比越小，风筝的性能越差。影响升力的因素，也是影响阻力的因素。影响升力和阻力的因素，有风筝的面积、飞行的速度、空气密度、迎角等等。面积大、速度大、空气密度大、迎角大，升力就大，同时阻力也大；面积小、速度小、空气密度小、迎角小，升力就小，阻力也小。从理论上讲，风筝处于有利迎角时，升阻比最大。这就要求我们制作风筝时要做到结构合理，加工精细，将提线位置放到最佳位置有利于爬高，同时调整好重心位置，以求最大的升阻比。判断风筝的重心位置是否合适，是否处于有利迎角，通常可进行平推试验,
即在无风时将盘鹰高举过头，向前轻轻一推，若风筝俯角过大，向前直冲直至落地，说明头重尾轻，迎角偏小，可将尾部适当上翘，也可减轻头部重量或加重尾部，还可将翅膀插管适当前移。若风筝平飞后头部上仰接着又下俯，上下点头或失速落地，说明头轻尾重，迎角偏大，可将尾部适当下掰，也可头部加重或减轻尾部重量，还可将翅膀插管适当后移。如此调整，使风筝处于有利迎角平稳下滑，下滑距离越远越好。需要注意的是，凡在头部或尾部增减重量，或改变翅膀插管位置后，要及时调整提线的位置。
飞 机 和 风 筝
飞机和风筝有许多不同之处，也有许多相同之点。飞机装有发动机，风筝没有发动机；飞机由人在空中直接操纵（无人驾驶飞机除外），风筝由人在地面用牵引线操纵；飞机的机翼多为上凸下平的翼型，风筝多为平面；飞机有垂直尾翼，风筝的尾巴一般不设；飞机发动机的拉力向前，风筝的牵引力来自斜下方….。但是，飞机和风筝都是人类发明的飞行器，都由人来制造和操纵，都用空气动力学作为理论指导，都要分析力和力矩的平衡，用拉力来克服阻力，用升力来克服重力，如此等等的异同，组成共性与个性的统一体，普遍与特殊的辩证关系。如前文所述，我们不能一说不同之处就忘却了相同之点，用个性、特殊性来否定共性、普遍性。特别在有无发动机的问题上，大可不必偏执一词而陷于片面性。其实，飞机的发动机能产生拉力，而风筝通过牵引也会产生拉力。只不过一个靠自身的发动机，一个靠外力。飞机在匀速直线上升时，发动机的拉力向前，与向后的阻力大小相等、方向相反且同作用在重心上，此时，拉力P等于阻力X加重力的水平分力G22，升力Y等于重力的垂直分力G1。风筝在匀速直线上升时，拉力的第二分力P2等于阻力X加重力的水平分力G22，，升力Y等于拉力的垂直分力P11，加重力的垂直分力G11。从力的平衡条件来看，因飞机和风筝除拉力的方向略有变化而外，没有根本的不同。这里特别指出的是，虽然风筝没有发动机，但它靠牵引线同样得到拉力。飞机没有发动机飞不起来，风筝没有牵引线的拉力同样飞不起来。
滑 翔 机 和 盘 鹰
有人驾驶的滑翔机没有发动机，一般由地面的绞盘车、汽车牵引获取高度。风筝（包括盘鹰）的起飞如同滑翔机，由地面的放飞者通过摇轮收线或迎风跑动牵引风筝获取高度，二者极其酷似。尽管滑翔机与盘鹰有诸多“差异”，只要用空气动力学这门科学来分析，二者之间在理论上毫无区别，就能在“理论上产生相同的结果”。不仅如此，滑翔机和盘鹰在上升、下滑和转弯时，力和力矩的平衡也没有区别。例如，滑翔机和盘鹰在匀速直线下滑时，都以重力的水平分力G22作为向前的动力，与阻力X相等；升力Y与重力的垂直分力G1相等，升力Y与阻力X的合力为总的空气动力R与重力相等。力的平衡使滑翔机或盘鹰保持匀速直线下滑。至于围绕立轴的偏转力矩、围绕横轴的翻转力短和围绕纵轴的滚转力矩，除了滑翔机由驾驶员在空中直接操纵、风筝由放飞者在地面操纵而外，在理论上没有根本区别。
滑 翔 机 模 型 与 滑 翔 机 模 型 风 筝
滑翔机模型在我国航模运动中早已有之，而滑翔机模型风筝则在盘鹰出现以后近几年才有的事。如果说滑翔机比滑翔机模型风筝体积相差悬殊，可比性不大的话，那么，滑翔机模型和滑翔机模型风筝则是大小相仿、形态近似的两种飞行器，外行人很难看出它们的区别。尽管如此，二者之间仍有些许差异。譬如，滑翔机模型可以弹射起飞，也可牵引起飞，牵引到一定高度后脱勾，然后自由滑翔，以飞得高、飞得远、留空时间长为优胜；滑翔机模型风筝只能牵引起飞，牵引线始终相随，以盘旋动作顺畅、特技动作优美为优胜。滑翔机模型风筝多以竹木为材料制作，而滑翔机模型则以更轻的材料制作。滑翔机模型的机翼下面有蒙皮，而滑翔机模型风筝的机翼下面一般没有蒙皮。细致观察，还有一些差异，这里不再一一列举。所有这些不同的差异和个性特点，都可用空气动力学的原理来分析研究，而不能另搞一套“理论”加以区别。滑翔机模型与滑翔机模型风筝如此，滑翔机与盘鹰如此，飞机与风筝也是如此。不用空气动力学来说明问题，另用臆想出来的“理论”来说明问题，越说越混乱，越说越不清楚。在科学面前来不得半点虚假，只有用科学的态度和唯物辩证法才能说明问题。
操 纵 性 与 安 定 性
不论是飞机还是风筝，都具有操纵性和安定性两种性能。操纵性是指操纵者在空中直接驾驶、在地面进行无线电摇控或用牵引线来保持和改变力和力矩平衡的性能。操纵性越好，灵敏度越高，越觉得操纵自如。安定性是指飞行器的力和力矩受到外力影响破坏平衡时能自动恢复平衡的性能。安定性越好，飞行状态越稳定，越觉得安全可靠。操纵性与安定性是对立的统一，二者相互依存，相互转化。也就是说，操纵性越好，安定性越差；操纵性越差，安定性越好。一般地说，传统风筝注重安定性，操纵性较差；运动风筝（如盘旋类风筝、双线和四线风筝）注重操纵性，安定性较差。影响操纵性和安定性的因素很多。以盘鹰为例，同样的风筝，重心位置靠前、上反角大、膀条细软、御风圈（俗称葫芦圈）小、蒙皮松而透气性好、同等重量时面积大、同等大小时重量轻、提线位置靠后、速度较小或摇轮较慢等等，安定性好，操纵性差。反之，安定性差，操纵性好。人类对飞行器的研制，随着时代的前进和科学的发展，飞行速度越来越快，飞行高度越来越高，飞行距离越来越远，飞行时间越来越长，飞行载重越来越大，其性能也由安定性好、操纵性差向着操纵性好、安定性差的趋势发展，而操纵性与安定性的矛盾一直存在着，只能加以改进和完善，而矛盾不会消失。在历史的长河中，人类始终在追求和探索，不断改进飞行器的性能。我们相信，随着空气动力学的普及和提高，在其理论指导下的风筝制作和放飞技巧也会不断提高。但是，不从理论和实践的结合上下功夫，脱离了科学的轨道，必然会步入歧径，且误导他人。笔者才疏学浅，放风筝的时间也不长，制作风筝缺乏经验，放飞技巧还属“小儿科”，许多问题不甚明晰，错误在所难免，诚恳希望H鸢友给予纠正，热切期待鸢友中的有识之士发表意见，展开有益的讨论，以便去粗取精，去伪存真，促进风筝理论不断提高，使放飞技巧更加精彩。
