【妙趣力学|张华】有关飞机稳定性的纸飞机教学演示与解析

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有关飞机稳定性的纸飞机教学演示与解析

张华

北京航空航天大学航空科学与工程学院

（注：该文发表于2018年5月6日作者的个人“美篇”）

张华教授

作者简介

张华，北京航空航天大学航空科学与工程学院教授，北京市高校教学名师，北京市优秀教师，中国力学学会全国优秀力学教师，北航国家级精品课《空气动力学》优秀主讲教师，北航“我爱我师-十佳教师”，北京力学学会科普委员会副主任，《力学与实践》杂志编委，主要研究方向：旋涡与分离流动，流动控制，激波边界层干扰，风工程，风洞水洞设计。

摘要

展示了有关飞机稳定性、操纵性教学中采用“纸飞机”进行的几个课堂小演示，分别说明了“如何折出或飞出又远、又稳的纸飞机”、“纸飞机如何从滚转不稳定变为滚转稳定”，以及“自主滑翔的纸飞机的飞行原理、操纵方法和制作要点”等。

关键词：纸飞机，飞机稳定性，课堂演示

为飞行学院小飞飞们开设的"飞机构造与系统"课，其中的"飞机操纵系统"内容涉及到飞机的稳定性相关概念与知识。

纸飞机演示录像之一：如何叠出并飞出又远、又稳的纸飞机？

关键有三点：一是升力问题，纸飞机要有适当、相对略大的机翼即升力面；二是平衡问题，叠纸飞机要适当照顾头尾的重量和升力的平衡，否则容易出现仰头失速或低头扎地现象；三是稳定问题，纸飞机的升力面沿机身较长，容易满足俯仰稳定条件，具有后掠角和上反角的纸飞机能够保证足够的滚转稳定性，足够高的腹鳍或背鳍可以保证足够的方向稳定性；上面录像中是我在课堂上现场折叠的纸飞机，飞得如何？

纸飞机演示录像之二：从滚转静不稳定到滚转静稳定。

由于飞机机翼下反角造成滚转静不稳定，以下反角姿态掷出的纸飞机在不稳定滚转力矩作用下发生180度滚转，变为上反角飞行姿态，飞机适当的上反角与后掠角将提供足够的滚转静稳定性，此后纸飞机不再滚转并以上反角姿态稳定飞行。

纸飞机演示录像之三："自主"滑翔的"纸飞机"和小飞机如何转弯。

制作和操控这样的滑翔机有以下要点：

1.材料：尽量轻，例如薄泡膜（厚度约0.2-0.8mm)材料，一架滑翔机的重量约0.1-0.3克，这是因为其速度较低升力有限，因此材料须在保证一定刚度和强度的条件下尽量轻；

2.布局：由于尽量增大升力面面积和综合考虑平衡和稳定的需要，采用飞翼类似的布局是有利的；

3.平衡与稳定：小飞机应在头部适当增加配重使纵向略不平衡即有初始的低头力矩，而在飞翼后缘设计向上翘的水平安定面，一方面可平衡左右可能不对称的升力，另一方面可以提供纵向抬头力矩，该小飞机的横侧向稳定性由飞翼布局的后掠角和上反角提供。与常规布局不同，飞翼布局没有立尾，其方向静稳定性主要是由机翼后掠角来提供。

4.飞行原理：以重力释放小飞机，小飞机在头部配重作用下开始低头下滑，用一宽纸板或者双手以一定夹角随小飞机一同前进，前进斜板形成的压力梯度一方面提供一部分升力一方面提供一部分前进动力，此外飞机与斜板之间的收缩通道形成了后部加速气流，由于飞翼后缘上翘的水平安定面具有负弯度，从而提供了抬头力矩使机头不再继续下沉，而飞翼在滑翔过程中也产生升力。依靠斜板的角度可以调整飞机的倾侧从而控制其转弯。

制作此小飞机需要一些特殊工具。感谢成都航空职业技术学院李吉老师的制作赞助。

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