第三十四节 飞将军一号
飞将军一号 验证了这个可行性以后，李治便开始着手设计制作这个滑翔机本身。设计要求是：能把自己和70公斤的人送上1000米高的天空，在马匹拖拽速度20－30公里每小时的条件下，就可以维持浮空。 考虑到骑兵本身的机动力，每天可以来回一百五十里以上，那么李治的滑翔机警戒系统，最大可以获知队伍周围两百五十里半径内的情报。考虑到观测效果和局部地形给打个折，那两百公里总可以保证吧！想一想你在中古时代就有这么一个强大的雷达预警系统…… 你就算打不过，逃跑那是一点问题都没有啊！ 决定开展这个项目以后，首先让我们看一下固定翼飞机升力的理论基础。 当流体被不对称的物体分为两边流动时，流速的差异，会带来压力的变化。一个简单的原则，流速快的地方，压力变小。因此机翼的形状沿流体流动方向和垂直方向的平面破开，总是下部平直，上部弯曲凸出。 是不是平直的地方流速会变快呢？因为它对流体的阻力小啊。 这个问题是有边界条件的。比如你说，一个细管子和粗管子，那个管子通过流体的能力大呢？当然是粗管子，没有错吧？ 但是管子粗恰恰说明，相同的流量条件（这个条件就是所谓的边界条件）下，它的流速慢！ 如果不懂得流体力学中压力分布的原理，乍一看去，会使人觉得上部凸出的表面，因为受到的阻力更大，反而会使机翼受到向下的压力吧！可是实际情况恰恰是相反的哦。 这个道理与火车站台的安全线的原理也有体现：当火车快速驶入站台，带动的高速气流会使火车附近的气压变低，人便会被气压推向火车，这是很危险的。 这个基本原理确定之后，下一步，就是在数量上加以解释了。 按照固定翼飞机机翼的升力原理，一个典型的机翼面，拥有这样的参数（显然与具体机翼形状有关，仅取一个典型数据），这个参数有两个，一个是沿着气流方向的，水平方向的阻力，这个系数用Cd表示；一个是垂直气流方向，由机翼平面向机翼凸面的的升力，这个系数用Cl表示。它们都是数据比率，是一个无量纲的量（实际你可以给它一个单位，但并没有实际意义）。等于升力（阻力）除以二分之一流体密度，机翼面积和速度平方的乘积。（SI） 其实这个单位本身没什么直接的用途，但他们的比值，称为升阻比（Cl/Cd）。它的值表示了空气动力学性能，数值越大，表示飞行性能越好。具体的表现就是飞起来更省推力，消耗小之类。 这个比值除了与机翼形状有关，还与机翼与气流的角度（飞行学上这个叫做攻角）有关。对与滑翔机而言，在固定速度下，升阻比于滑翔比是相同的。滑翔机的一个典型数据是30：1到60：1之间。 以60：1的比例来说，滑翔机每下降一米，它就会向前滑翔60米。当然这是最好的数据，一边来说，40：1左右就不错了。 升阻比还与速度倒数的二次方有关，说明速度越快，它会变小。同样，速度很慢的时候，因为阻力会产生很大的诱导阻力，升阻比又会变小。 对于不同鸟类，麻雀的升阻比只有4，而信天翁科的升阻比为20——正如你所知道的，这才是一种长途飞行的鸟类。 对滑翔机而言，一个很明显的区别于飞机的特征，就是它具有特别大的展弦比（机翼沿飞机横向长度比机翼宽度）。直观上讲，就是它的机翼又细又长…… 高级滑翔机的展弦比会高达30甚至更大。 需要特别提出的是，此处设计的滑翔机，是“地面动力”滑翔。如果是单纯的滑翔，则可以直接使用很多模型飞机设计的数据，比如三角伞翼悬挂滑翔机。利用上升气流，悬挂滑翔机可以滞空很长的时间。现有的悬挂滑翔记录是150公里，19小时。（这个速度也是很慢） 以模型滑翔机为例，一般最长时间留空速度在5米/秒左右，这个速度对军事侦察来说，实在是太慢了。因此这里要选择留空速度高一点的牵引滑翔。 这里使用的数据是，升力系数0.8，阻力系数0.012。 （来自于NACA23012翼形在雷诺数6×10e6下攻角5度下的数据，雷诺数是一个描述流体混乱涡流程度的指标，它同此章出现的无数数据一样，简而言之就是太大太好都不行，要在某范围内最好。也许这不是此处最好的选择，还请经验丰富的模型界人士轻拍） 滑翔机的巡航速度是10m/s，等同于每小时36公里，这个速度别说对于蒙古马来说不在话下，就是人类也能跑的更快。 滑翔机的阻力还要加上乘客舱的空气阻力。在这里有另外一个公式，就假设这个乘客舱加工比较粗糙，和小汽车的空阻力系数0.3相仿。这个阻力等于0.5倍空气密度乘以阻力系数乘以截面积乘以速度的平方，而截面积算0.7平方米，差不多是成年人上半身正面截面。 至此，滑翔机设计的数据已经全部齐全了，我们再重复一下： 需求：总重80公斤。 巡航速度10m/s。 使用翼形： 升力系数0.8，阻力系数0.012，截面积0.7，空阻系数0.3（高展弦比无法保证足够的雷诺数，在此文中就无视了）.。 经过一系列的计算（公式其实之前都给出过，就不在此列举计算过程了），得出的机翼数据如下： 翼面面积：15.8平米。用十五米的翼展乘以一米的翼宽就可以实现，展弦比达到15：1。 阻力（牵引力）：24.8N。升阻比为31.5（达到民间科学家的标准了！） 这个数据其实是有相当难度的。这样大的翼面，只能用木头骨架和蒙布铺设，才能控制好重量。 同滑翔机之父，德国人奥托·李林塔尔于1891年制作的固定翼滑翔机的数据来比较一下：他用木和竹加布蒙皮制作，宽7米，重2公斤，翼面面积约10平米。滑行成绩是15米高滑下了90米（滑翔比6）。 看起来也还不错，不是吗？ 李林塔尔的滑翔机过于重视升力，没有重视cao控，因此他死于一次迎风事故：突然增大的风速让他的升力迅速增大，而升力中心和重力中心的错位产生一个上扬扭矩，使攻角迅速增大，而他又没有及时控制机身低头……1896年8月9日，他死于诺韦山。 李治不想自己也遭遇这样的悲剧，因此把滑翔机上安装了全套的控制机构：襟翼，升降舵，垂尾，方向舵。如果蒙古高原上突然刮起强风，他可以改变升降舵的，让它的攻角迅速增大，获得很大的升力，从而产生一个让机头下降，使主翼攻角变小的力矩。最主要的，就是整个滑翔机的重心和升力中心距离变小，而且重心要前于升力中心。 牵引力是24.8N，那么牵引功率就很好计算了，乘以10m/s的速度，得出牵引功率就是248W。 按照英国人对马匹功率的测试——其实这也是“匹”这个英制功率单位的由来，一匹马的功率就可以达到745W，实在是绰绰有余。 和马相比，人类弱爆了，有数据表明，人类的机械输出功率一般只有100W（长时间）。但是5s内爆发功率可以到达一匹马力的水平。（英国人那匹马明显在划水嘛不是吗？） 附上资料：根据一项国外自行车训练测定资料,未经训练的普通男性成年人输出功率(瓦/千克体重)如下: 5秒：10.72；1分钟：5.86；5分钟：2.52；20分钟：2.11；（女性低20%左右） 这个数据乘以你的体重，就是你在这个“发功”时间段上能够达到的机械功率输出啦～ 如果想锻炼的朋友，用这个数据可以安排锻炼量。而很多人尝试过人力飞行，那么以这个滑翔机的空气动力学效率，250瓦的输出功率需求，70公斤体重的人大概能维持不到5分钟。 可见至少现在，人力飞行还是面临着人类机械功率不足的先天制约。 好了，设计好参数以后，李治找来木匠，两翼各长七米左右，用整木梁做龙骨，然后木片作为蒙皮的支架，控制翼形，最后用棉布（丝绸当然也可以，就是太贵了，工程师要节约点不是吗）作为蒙皮。机身差不多和翼展一样长，因此是两段木料接合而成，尾部有同样方法制成的垂直尾翼和升降舵。 机身的自重还是达到了15公斤，李治此时体重大概60公斤，因此他只有50N的升力余量。考虑到拖拽绳索的角度，幸亏拖拽力只有20多牛顿，因此几乎是勉强达到了设计要求。 在胜州大营，几万士兵紧张的注视中，李治和他的“飞将军一号”，即将要开始试飞了。李道宗亲自骑马，为滑翔者一号提供牵引。谁都不想错过这精彩的一幕。