會飛的“楓葉”

趙二剛 韓玉

李曉宇/攝

從遠古時代美麗的飛天神話，到現代社會說走就走的航空旅行，人類對飛行一直充滿向往，各種奇思妙想的飛行器層出不窮。熱氣球、滑翔傘、固定翼、直升機、撲翼機、旋翼機、多旋翼飛行器……這些外形布局各異的飛行器，是人類千百年來在探索飛行過程中創新創意思想的結晶。

時至今日，創新越來越成為推動航空技術發展的關鍵因素。航空領域中不少重大的技術進步，很多都源自一些看似簡單的小創意。不同尋常的創意飛行器，既能作為驗證飛行設想的有效載體，也可充當開展航空科普教育的直觀工具。

本期介紹一架會飛的“楓葉”模型飛機，它由北京市朝陽區垂楊柳中心小學馨園分校“楊偉楓模型工作室”設計。從外形上看，“楓葉”飛機就是一片非常普通的“樹葉”，找不到一丁點飛行器的影子，似乎也與飛行毫不沾邊。實則不然，這架“楓葉”飛機的飛行性能優異，不但能飛出完美的直線，稍加調整還能做出筋斗和回旋動作，趣味十足，非常適合在青少年航空科普活動中使用。下面，就讓我們一起探究這架“楓葉”飛機都有哪些巧妙之處吧。

簡單設計滿足機體剛度要求

飛行器在空中飛行，需要有一定的剛度，這樣才能保持機體的氣動外形，從而保證高效的飛行效率和良好的操縱性能。這架“楓葉”飛機的主要材質是2mm 厚的魔術板。魔術板也叫PP 板，是一種重量輕、韌性好的泡沫材料，用它制作的飛行器重量較輕，且十分堅韌、不易損壞。但魔術板質地較軟，容易導致飛行器剛度不足、飛行性能欠佳。

要使魔術板材質的機體具備足夠的剛度，就要在設計上下功夫。對于這架“楓葉”飛機，通過一些簡單的手段即可解決這一問題。

首先，在機身上沿縱軸方向增加一片較窄的加強魔術板。該設計可以在增加很少重量的前提下，提高機體的剛度和強度。同時，由于加強魔術板較窄，對飛行時的氣流影響很小，大部分氣流都能平滑地流過機翼，為飛行器提供所需的升力。

其次，沿縱軸方向在機體上下表面分別粘接2 片窄魔術板，并使它們與機體垂直。從機頭或機尾方向看，2 片窄魔術板與機體形成“十”字形布局。采用這種結構后，一方面，無論機體出現上下還是左右變形，都會被這個“十”字形布局限制住，最大限度地提高機體的剛度；另一方面，上下表面的魔術板充當垂直安定面，可增強“楓葉”的方向穩定性，下表面的魔術板還能充當握把，顯著提高投擲的便利性。

魔術板質地較軟，容易變形。

在機身縱軸方向增加一片加強魔術板， 對機身進行加強。

在機體上下表面分別粘接2 片與機翼垂直的魔術板，與機身形成“十”字形布局。

兩片垂直于機翼的魔術板除了作為垂直安定面外，還可充當手擲放飛時的握把。

幾種常見的飛機氣動布局

我國空軍主力戰機殲10 和殲20 都是典型的鴨式布局飛機（陳學強/攝）

法國達索公司研制的幻影2000 是典型的無尾布局飛機

美國B-2 遠程戰略轟炸機采用飛翼布局，具備突出的隱身性能。

這些簡單的設計手段十分巧妙和有效，既保證了“楓葉”飛機的輕盈，又最大限度提高了機體的剛度。

萬變不離其宗的飛行原理

一架飛行器，不論外形多么奇特炫酷，其中的飛行原理是不變的。“楓葉”飛機形似楓葉，但本質上仍屬于無尾布局的飛行器。

剛度指一個構件或結構抵抗變形的能力。剛度的大小不但與材料本身有關，還與該構件或結構的截面與形狀等有關。強度指某種材料抵抗破壞的能力。強度的大小與材料本身的性質及受力形式有關。

飛機的氣動布局可以簡單地理解為機翼、尾翼和機身等各部件的相對位置關系。氣動布局不同，飛機的飛行特性也不同。通常，飛機的氣動布局可分為常規布局、無尾布局、鴨式布局和三翼面布局等。

常規布局指機翼在前、尾翼在后的布局形式。人們對常規布局飛行器的了解最深刻，理論基礎最完備，技術最成熟，因而這種布局也最常見。當今幾乎所有的民航客機和大多數通航飛機、軍用飛機都采用常規布局。無尾布局指沒有水平尾翼的布局。鴨式布局是控制飛機俯仰的水平尾翼移到機翼前方并被稱為鴨翼的布局形式。人類第一架飛機萊特兄弟發明的 “飛行者一號”采用的就是鴨式布局。在常規布局的基礎上增加一對水平前翼的布局叫三翼面布局。

采用無尾布局的飛行器，飛行特性鮮明。由于取消了水平尾翼，使得機翼內部結構空間增大、復雜度變小、重量減輕，而且阻力較小，配合使用三角形機翼后，非常適合高速飛行。但因為取消了水平尾翼，導致這種飛行器縱向穩定性變差，起降性能不佳。

“楓葉”飛機的結構布局示意圖

將“楓葉”飛機左右機翼外側同時向上彎折（聯動），可起到升降舵的作用。

將“楓葉”飛機左右機翼外側分別向上向下彎折（差動），可起到副翼的作用。

北京市朝陽區垂楊柳中心小學馨園分校的同學們展示自己制作的“楓葉”飛機（李曉宇/攝）

無尾布局飛行器的研究興起于第二次世界大戰后至20 世紀70 年代。當時，各國在研制戰斗機時開始追求高空高速，一批高速機型應運而生。由于無尾布局的獨有特點，十分適合高速飛行，因此取得了很大發展。無尾布局中還有一種連垂直尾翼和機身都省略掉，只剩下一副機翼的布局，稱為飛翼布局。飛翼布局的阻力更小、空間結構更大，但安定性差，操縱性不佳，需要在強大的飛控計算機輔助下才能穩定飛行。

整體上看，“楓葉”飛機就是一架典型的無尾布局飛行器：“葉柄”是機頭，主要起調節重心的作用；“葉片”是機翼，用于產生升力；分居兩側的“葉片”邊緣起無尾布局飛行器升降舵和副翼的作用；垂直粘接的加強魔術板起垂直尾翼的作用，使機體具備足夠的航向穩定性。

由于取消了水平尾翼和升降舵，無尾布局飛行器的控制方式比較特殊。機翼后的兩個舵面，既是升降舵又是副翼。當兩舵面同時向上或向下偏轉（聯動）時，起升降舵的作用，可改變飛機的俯仰姿態；當兩個舵面分別向上向下偏轉（差動）時，起副翼的作用，能使飛機圍繞縱軸滾轉。

“楓葉”飛機不僅外形符合無尾布局飛行器的特點，其控制方式也亦然。調整好重心后，當兩側“葉片”的后緣同時向上翹時，相當于升降舵向上偏轉，產生抬頭力矩使它向上飛；當兩側“葉片”的后緣同時向下翹時，相當于升降舵向下偏轉，產生低頭力矩使它向下飛；而當兩側“葉片”的后緣分別向上向下翹時，相當于偏轉了副翼，兩側機翼升力不同，使它向升力較小的一側滾轉。通過這些調整，就可以控制“楓葉”飛機的飛行姿態，使它按照自己設定的方式飛行。控制“葉片”后緣的偏轉角度和方向，再配合重心及不同的出手姿勢，就能讓“楓葉”飛機完成不同的飛行動作。

這么神奇的“楓葉”飛機你學會了嗎？快約上小伙伴一起制作放飛，看看誰飛得最好！