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标题: 如何获得最小的下降率? [打印本页]
作者: estar 时间: 2022-10-5 14:13
标题: 如何获得最小的下降率?
本帖最后由 estar 于 2022-10-5 14:26 编辑
目前各类滑翔机比赛，都会有留空计时的科目，而且会占计分的很大比重。
对于普通滑翔机爱好者，更小的下降率能带来更好漂浮性，享受到滑翔的乐趣。
滑翔机有两个非常关键的指标。
1.) 滑降比(Glide Ratio)
滑降比是指飞行期间，飞机前进距离和高度下降之间的比值。这个值越大，代表在同样的高度差下，滑翔的距离越远。
- 滑降比受升力系数和阻力系数的影响，翼形对滑降比的影响很大。当下放襟翼的时候，机翼弯度变大，升阻比变大，滑降比增加的同时，也有助于下降率的降低。
- 滑降比不受载荷的影响。
同一台滑翔机，增加负载会使飞机以同样的滑降比更快飞行(下降)，但飞行的距离不变。同样，减重不会提升滑降比，但会使飞行(下降)得更慢。
2.) 下降率/下沉率 (Sink Rate)
下降率是指飞机在单位时间内下降的高度。下降率越小，代表下降同样高度，需要的时间越长，是滑翔机性能的重要指标之一。
查询了海外的一些网站后看到的一篇关于下降率的文章，在此分享给大家，欢迎一起讨论。
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上面是1933年由W Bailey Oswald发表的关于下降率的计算公式。
下面我尽力翻译一下，水平有限。。。懂英文的朋友们可以忽略下面这段。(如果翻译有问题，也请帮忙指正。)
=========
ω: 下降率
p：空气密度
W: 重量
f：等效寄生阻力面积（包含形状阻力面积，寄生阻力面积。该值随着雷诺系数的降低而变大。）
b：有效翼展长度（取平面长度，翼尖的影响比较小）
V：空速
- 从该公式可以看出，真正影响下降率的变量只有重量W，有效翼展长度b，以及等效寄生阻力面积f。
可以通过增加翼面积(减小翼载荷)来降低空速V，但增加翼面积的同时，阻力面也会增加，导致雷诺系数的降低，从而进一步增加了阻力面积f。
- 如果希望降低下降率，可以增加有效翼展长度b (公式中b是平方，所以效果会非常明显)，减小重量W，或者降低寄生阻力面积f。
- 如果飞机的阻力较小，高展弦比的机翼可以获得最小的下降率。
如果飞机的阻力较高，则大弦长的机翼可以降低空速，从而获得较低的下降率。
=========
从以上公式可以看出，很多人认为的翼载荷越小，滑翔机的下降率就越低，漂浮性就越好，这个理解其实是不准确的。
因为翼载荷(重量除以翼面积)这个参数，并不在下降率的公式中。
在这个公式中的不是翼载荷，而是翼展载荷(Span Loading)，翼展载荷的计算公式是重量除以翼展的平方。( W / b^2 )
我们可以拿两台不同翼展的F3K和F5J机型来验证一下。
这两台飞机的最小下降率都在0.3m/s。
=====
- Snipe (F3K)： 翼展1.5m，翼面积19.65dm2，重量220g。（翼载荷: 11.2g/dm2; 翼展载荷: 97.8g/m2）
- Maxa (F5J) ： 翼展4m，翼面积82.16dm2，重量1600g。（翼载荷: 19.5g/dm2; 翼展载荷: 100g/m2）
=====
4m Maxa 的翼载荷比 1.5m Snipe 高了 70%，但翼展载荷几乎相同，因此都达到了0.3m/s的下降率。
下面是一些全尺寸滑翔机最小下降率和翼展载荷的数据图。
从图上可以看出，全尺寸滑翔机的最小下降率会随着翼展载荷的增加而增加，基本是线性的关系。
考虑到模型滑翔机和全尺寸滑翔机在雷诺系数上的巨大差异，下面用XFLR5做了仿真计算。
用XFLR5建立了A/B/C三种不同的翼型。
=====
A). 翼展3.4m，翼面积69.05dm2，重量1820g。
B). 基于A，将翼展减半到1.7m；为了确保翼面积不变，将弦长增加一倍，维持翼面积69.05dm2；整机重量不变1820g。
(对比A，翼载荷不变，翼展载荷变为A的1/4）
C). 翼展维持3.4m；将弦长增加一倍，翼面积加倍到138dm2；整机重量不变1820g。
(对比A，翼载荷减小一倍，翼展载荷不变）
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下面是对A/B/C三种翼型的下降率的仿真结果。
红色曲线是翼型A，绿色曲线为翼型B，粉色曲线是翼型C。
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从仿真结果可以看出：
- 翼型B将翼展减半以后，导致翼展负载大幅度降低，低速状态下的下降率上升了一倍。
- 翼型C在维持翼展不变的情况下，通过增加弦长将翼面积翻倍，虽然翼载荷降低了一倍，失速点降低了，但由于阻力面积变大，对降低下降率没有任何帮助。
最后总结一下，如果希望获得最小下降率，需要关注下面几点。
=====
- 选择升阻比好的翼型（实际还要综合考虑高速性能），调试找到最高滑降比的襟翼下放距离。
- 关注翼展负载（Span Loading），而不是翼载荷。
尽量选择展弦比高的机型，例如同样是1.5m翼展的F3K机型，弦长较长翼面积较大的机型虽然翼载荷较小，但下降率未必会更好。
- 减重，减重，减重。
减重可以减小下降率。
但考虑到滑翔机不可能只在静气流状态下飞行，更轻的重量会使得飞机对外界的扰动更敏感，飞行速度更慢，巡航范围更小，找到热气流的概率也会降低。
所以很多时候需要平衡，根据实际环境增加配重。
- 优化等效寄生阻力面积f
关于下降率公式里面的f值，这个我也没太看懂，求大神们指点，怎么才能优化这个等效阻力面积。 
=====
# 最后附上国外论坛上的原文。
https://www.rcgroups.com/forums/showthread.php?2601411-Is-wing-loading-what-determines-the-minimum-sink-rate-of-a-glider
作者: qzzxh 时间: 2022-10-5 16:16
谢谢楼主介绍理论研究文章，值得学习。
作者: ibmv4 时间: 2022-10-6 00:12
标题: 有关负载和飞行距离的更正的分析在16楼
本帖最后由 ibmv4 于 2022-10-9 11:15 编辑
- 滑降比受升力系数和阻力系数的影响，翼形对滑降比的影响很大。当下放襟翼的时候，机翼弯度变大，升阻比变大，滑降比增加的同时，也有助于下降率的降低。
- 滑降比不受载荷的影响。
同一台滑翔机，增加负载会使飞机以同样的滑降比更快飞行(下降)，但飞行的距离不变。同样，减重不会提升滑降比，但会使飞行(下降)得更慢。
至少这两点是有错误的。
1、严格来说，弯度变大，升阻比可能变大也可能变小，升力系数可能变大也可能变小，取决于翼型。但一般DLG的翼型，下放襟翼升阻比一般变小，升力系数一般变大，所以下降率降低。
2、增加负载会增大飞行距离，减重会减小飞行距离。
作者: estar 时间: 2022-10-6 15:18
我之前也一直认为，增加或者减少滑翔机的负载，会对滑行距离有影响。
直到后来看了模型空气动力学这本书里面的一段介绍，还做了受力分析。（下面是内容的截图）
里面提到了增加负载不会影响滑行角度，只会让飞行更快，下降率上升。
(, 下载次数: 129)
作者: ibmv4 时间: 2022-10-6 19:12
标题: 更正的分析在16楼
本帖最后由 ibmv4 于 2022-10-9 11:15 编辑
探讨一下，图4-5中，阻力D和升力为什么是线性关系？如果阻力D和升力不成正比，那下滑角就不相等了。
在这本书的阻力函数图2-14中，不是单调递增的。
作者: Glider 时间: 2022-10-6 21:05
难怪有些涵道飞机看似只是60cm和80cm翼展的区别 重量却相差很大
作者: event 时间: 2022-10-7 00:07
虽然看不懂专业术语，有个问题想请教一下，如果用滑翔机做远航的飞机，能否飞的更远？因为滑翔机的阻力比普通模型都要小，而且滑翔距离并不受到重量的影响
作者: estar 时间: 2022-10-7 10:44
从上面的受力分析图可以看出，滑降比是由α角的大小决定的，而α角的大小与升力L和阻力D的比值有关，所以滑降比其实是由升阻比决定的。
下面这个图，是飞机在重量不变，升力不变的情况下，速度和阻力的曲线图。
单从这张图看不出当升力也变化的时候，升阻比/滑降比是如何变化的。
(, 下载次数: 129)
升阻比的大小，和机翼的攻角(AOA)以及空速有关。
比较有意思的是，滑翔机没有动力，所以速度又和重力在飞行方向上的分力有关。
下面是网上看到一张，体现了升阻比，攻角以及空速的关系。
(, 下载次数: 109)
从图中可以看出两点。
=====
1. 在一定的空速(单位为马赫)状态下，升阻比随着攻角变大而变大，到达最大升阻比之后随着攻角的增大而减小。(最终应该是失速状态)
2. 在不同空速下，最大升阻比有差异，并且这个最大升阻比对应的攻角也不同。
=====
针对第二点，我的理解是这样的。
虽然第二点说明了，最大升阻比/滑降比会随着速度的变化而变化。
但图上速度的变化尺度是非常大的，从0.8马赫到1.7马赫的速度变化，最大升阻比的变化只有0.3左右。
而滑翔机通过增加重量产生的速度变化，对应到音速，尺度单位只有0.01马赫。
在这样小的速度变化情况下，上图中的曲线变化几乎可以忽略不计。
所以，增加/减小滑翔机的重量，并不会对滑降比有影响。
作者: estar 时间: 2022-10-7 11:09
滑翔机升阻比高，远航会比其他的固定翼飞行效率更高。
同样重量的滑翔机和普通固定翼，滑翔机的飞行速度更慢，续航更久，但容易受到环境的干扰。
从下图可以看到，当有风或者下沉气流的时候，升阻比低飞得慢的飞机，反而飞行距离更短。
所以滑翔机需要根据实际飞行环境，来进行配重，达到最佳的飞行目标。
(, 下载次数: 118)
作者: event 时间: 2022-10-7 11:21
estar 发表于 2022-10-7 11:09 
滑翔机升阻比高，远航会比其他的固定翼飞行效率更高。
同样重量的滑翔机和普通固定翼，滑翔 ...
感谢前辈指点，看来要换一个滑翔机来远航了
作者: ibmv4 时间: 2022-10-7 20:49
标题: 更正的分析在16楼
本帖最后由 ibmv4 于 2022-10-9 11:14 编辑
如果这张空速-升阻比极坐标图是正确的，那压舱导致速度变化进而导致升阻比变化就不可忽视。图中的例子0.8马赫属于高速，按总阻力那张图，最佳升阻比左右曲线线性很差，但速度越快，越接近线性。一般模型滑翔机10m/s左右的速度，和这个图差别很大的。
作者: ibmv4 时间: 2022-10-7 21:07
前半段的问题，一般来说，滑翔机的升阻比较高，所以在一般工作状况下，是可以飞更远的。
后半段的问题，有动力情况下，同样的能量，同样外形的飞机，工作在各自最佳升阻比的速度下，无风，越轻飞得越远。原因，重的飞机产生的涡阻力更大一些，更费能量。
原帖讨论得应该是无动力滑翔，在相同的起始高度上，重的飞机有更多的势能。如果加重的重量提高了飞行速度，如果阻力增加程度小于升力增加的程度，则可以飞得更远。反之则更近。相等则不影响。
作者: dakar_04 时间: 2022-10-8 09:33
看着就很不错
作者: redphenix 时间: 2022-10-8 09:56
下降率与翼展载荷相关不与翼载荷相关，这不太准确，如果翼展很大，弦长很短，翼面积很小，显然下降率会很大
作者: 风之纹章 时间: 2022-10-8 13:18
好文章，专门登录顶你
作者: ibmv4 时间: 2022-10-9 10:07
重新梳理了一下逻辑，有进一步的收获，但不确定正确，共同探讨。
升力和阻力的公式里，升力和阻力都是和速度的平方成正比，所以如果攻角不变，只改变速度（通过增加重量），升力和阻力同比增长，最大升阻比不会变，符合“图4-6，重量对滑翔机穿越的影响”。
总阻力D = 涡阻力DL + 废阻D0，
总阻力系数CD = 废阻系数CD0 + 涡阻系数CDL，其中涡阻系数CDL和升力系数CL的平方成正比。
所以假设攻角不变，CL不变，通过重量增加提升速度并且提升升力，那阻力也是单调递增的。
"图2-7”里应该是固定升力，在速度变化的同时，通过改变攻角，改变升力系数CL，以实现平飞，所以会出现类似非单调递增的阻力。（我之前误解了这个图，以为阻力公式里有一项和速度成相反关系的引起阻力非单调递增）
确实在无风环境下，重量不会改变飞机相对地面运动的距离。
在逆风情况下，增加重量能提高飞机的运行速度，从而提升相对地面运动的距离。
在顺风情况下，减轻重量能提升留空时间，从而提升相对地面运动的距离。
作者: 徐志满 时间: 2022-10-21 12:34
滑翔比和整机的升阻比相同,升阻比越大滑翔比越大.
升力系数大则滑翔速度就慢.
处于有利迎角飞行时有最大升阻比.
比有利迎角稍大的飞行迎角为经济迎角,此时有最大"功率因数",在此状态,升阻比略有减小但升力系数加大,滑翔机既具备足够大的滑翔比又有较慢的飞行速度,使滑翔机有最小下沉速度.
作者: 锴2510 时间: 2022-12-29 22:28
看了公式的出处，对8L做一点补充。
英文的报告可以在这儿下到：
https://www.abbottaerospace.com/ ... rplane-performance/
https://ntrs.nasa.gov/api/citati ... pdf?attachment=true
俩网站的文件是一样的。
基本思路就是把阻力分为“诱导阻力”和“寄生阻力”两项，诱导阻力和翼展载荷有关，寄生阻力和一堆东西有关（可以暂时认为不变），这俩加起来，除以总重，就是升阻比的倒数，乘上速度，就是下降率。
优化升阻比好难。
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