飛得最慢的飛機(jī)？揭秘F1D的極限慢飛藝術(shù)

F1追求的速度，那你知道F1D追求的是什么嗎？它追求的是速度的另一個(gè)極端，慢！而且是飛在天上的慢。不過(guò)，飛機(jī)沒(méi)有速度，怎么可能飛得起來(lái)的呢！我們今天，就借著這架世界上飛得最慢的飛機(jī)，來(lái)介紹一下這究竟是為什么。

在進(jìn)入理論環(huán)節(jié)之前，我們還是先花點(diǎn)時(shí)間，來(lái)仔仔細(xì)細(xì)的認(rèn)識(shí)一下咱們今天的主角——F1D飛機(jī)。F1D飛機(jī)是一種極輕質(zhì)、極慢速的室內(nèi)自由滑翔模型飛機(jī)。它們專為在室內(nèi)環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間飛行而設(shè)計(jì)，通常用于自由滑翔模型飛機(jī)比賽。什么是自由滑翔模型飛機(jī)比賽？它是一種讓模型飛機(jī)跟隨風(fēng)的方向飛行，并在上升的熱氣流中翱翔的特殊飛行比賽。模型飛機(jī)完全自由的按照它自己的路線飛行，不受任何地面控制。如果你曾經(jīng)扔過(guò)一架折疊的紙飛機(jī)或一架小店購(gòu)買(mǎi)的輕木滑翔機(jī)，那么你已經(jīng)體驗(yàn)過(guò)最基本形式的自由滑翔模型了。

自由滑翔模型主要有兩種類型：室內(nèi)飛行和室外飛行。室內(nèi)模型非常輕，飛行速度極慢，通常由扭轉(zhuǎn)橡皮筋驅(qū)動(dòng)大螺旋槳提供動(dòng)力。手?jǐn)S滑翔機(jī)和用橡皮筋圈彈射到空中的滑翔機(jī)也可以在室內(nèi)飛行。它們常在學(xué)校體育館、禮堂和類似的大型開(kāi)放空間內(nèi)飛行。室內(nèi)模型是入門(mén)模型制作最便宜和最簡(jiǎn)單的方式之一，并且在大多數(shù)地方都可以找到合適的飛行場(chǎng)地。 室外模型通常比室內(nèi)模型更大更重。高級(jí)類型的模型性能非常高。在理想條件下，有些模型一次飛行可以在空中停留近一個(gè)小時(shí)。還有一些模型在返回地面之前能被熱氣流帶到幾十公里之外。最先進(jìn)的類型在僅僅5秒鐘的動(dòng)力飛行后可以滑翔超過(guò)十分鐘。為了防止模型丟失，大多數(shù)室外自由飛模型都配備了定時(shí)裝置來(lái)限制引擎的運(yùn)行時(shí)間。其他定時(shí)器操作的裝置則在模型被熱氣流帶走之前安全地將其帶回地面。但不論是室內(nèi)還是室外模型，無(wú)一例外，它們都是以慢為勝的。

這似乎就跟升力產(chǎn)生的原因有悖了，因?yàn)榘凑粘＠韥?lái)說(shuō)，飛機(jī)的機(jī)翼得以足夠的速度劃過(guò)空氣，才能有托舉起它的升力產(chǎn)生呀。我們不妨先來(lái)回顧一下：產(chǎn)生升力的基本原理可以通過(guò)伯努利原理和牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律來(lái)解釋。伯努利原理指出，當(dāng)流體，比如空氣的速度增加時(shí)，其壓強(qiáng)會(huì)減小。飛機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)成上表面彎曲、下表面相對(duì)平直的形狀，這種設(shè)計(jì)稱為翼型。當(dāng)空氣流過(guò)機(jī)翼時(shí)，上表面的空氣速度較快，下表面的空氣速度較慢。根據(jù)伯努利原理，這種速度差異導(dǎo)致上表面的壓強(qiáng)較低，下表面的壓強(qiáng)較高，從而產(chǎn)生向上的升力。除了伯努利原理，我們還能用牛頓第三定律來(lái)解釋升力。牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律告訴我們，每一個(gè)作用力都有一個(gè)大小相等、方向相反的反作用力。當(dāng)空氣流過(guò)帶有一定傾角的機(jī)翼時(shí)，機(jī)翼向下推空氣，空氣也向上推機(jī)翼。這種反作用力也就貢獻(xiàn)了一部分升力。你如果單看以上解釋的話，會(huì)認(rèn)為速度是一個(gè)制勝法寶，但是，請(qǐng)別忽略了升力產(chǎn)生的另一個(gè)至關(guān)重要的因素——機(jī)翼的設(shè)計(jì)。其實(shí)大翼展和合適的翼型設(shè)計(jì)也可以在低速下產(chǎn)生足夠的升力，使飛機(jī)能夠懸停和緩慢飛行。具體來(lái)說(shuō)，它倆是這么工作的： 翼展是指從機(jī)翼一端到另一端的距離。大翼展意味著機(jī)翼面積較大，這有助于分散飛機(jī)的重量，并提供更多的升力。因?yàn)樯εc機(jī)翼面積成正比，所以大翼展的飛機(jī)即使在低速下也能產(chǎn)生足夠的升力。 而機(jī)翼的翼型，即機(jī)翼的橫截面形狀則直接影響空氣流動(dòng)速度和壓強(qiáng)差異。特殊的彎曲設(shè)計(jì)可以讓上表面的空氣流動(dòng)得更快，從而降低壓強(qiáng)，而下表面的相對(duì)平直設(shè)計(jì)使空氣流速較慢，從而增大壓強(qiáng)。這種更大的壓強(qiáng)差異就使得即使在慢速的情況下，也能有更大的升力產(chǎn)生。

所以別看F1D飛機(jī)看起來(lái)好像很簡(jiǎn)單，甚至是簡(jiǎn)陋，其實(shí)它的設(shè)計(jì)極其的精妙呀。除了大翼展和高升力的翼型以外，它還有其他幾個(gè)能讓自己輕松起飛并長(zhǎng)時(shí)間停留在空中的關(guān)鍵因素——第一， 極輕的重量。F1D飛機(jī)的重量通常在1.4克左右。為了達(dá)到如此輕的重量，它在制造過(guò)程中必須使用超輕材料，如碳纖維骨架、極薄的塑料薄膜和極輕的橡皮筋。這使得飛機(jī)即使只產(chǎn)生了很小的升力，也能夠順利托舉起自己；第二，高性能的橡皮筋。F1D飛機(jī)利用橡皮筋的扭轉(zhuǎn)力作為動(dòng)力源。橡皮筋通過(guò)扭轉(zhuǎn)儲(chǔ)存能量，釋放時(shí)驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，為飛機(jī)提供向前的推力。盡管推力很小，但足以推動(dòng)輕質(zhì)的F1D飛機(jī)飛行。 第三，優(yōu)異的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。 F1D飛機(jī)的機(jī)翼和尾翼設(shè)計(jì)精妙，優(yōu)化了升力和阻力的平衡，使飛行速度得到了有效的降低。于是飛機(jī)的能耗也降得很低，使橡皮筋動(dòng)力能夠維持更長(zhǎng)時(shí)間。第四，為了確保穩(wěn)定飛行，F(xiàn)1D飛機(jī)的各個(gè)部分必須精確調(diào)校。機(jī)翼的角度、螺旋槳的推力軸線和重心位置等都需要精確調(diào)整，以確保飛機(jī)在飛行中的穩(wěn)定性和平衡性。

怎么樣，了解以上這些知識(shí)后，你就明白為什么它能是世界上飛得最慢的飛機(jī)了吧。那好，這架飛機(jī)除了參加你可能連聽(tīng)都沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)的自由滑翔模型飛機(jī)大賽，以及解壓以外，它還有啥作用呢？其實(shí)吧，它們的設(shè)計(jì)和技術(shù)也具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的，總結(jié)起來(lái)大概有以下三個(gè)：教育和培訓(xùn)、創(chuàng)新和研究，還有娛樂(lè)和愛(ài)好。F1D飛機(jī)的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程涉及多學(xué)科知識(shí)，如空氣動(dòng)力學(xué)、材料科學(xué)和機(jī)械工程。它們是學(xué)習(xí)和教學(xué)空氣動(dòng)力學(xué)和工程原理的優(yōu)秀工具，能夠幫助學(xué)生和愛(ài)好者理解飛行原理和制造工藝。同時(shí)，F(xiàn)1D飛機(jī)的輕量化和高效設(shè)計(jì)對(duì)微型無(wú)人機(jī)和其他小型飛行器的研發(fā)具有啟發(fā)意義。研究和改進(jìn)F1D飛機(jī)的技術(shù)可以為更輕、更高效的無(wú)人飛行器設(shè)計(jì)提供借鑒。對(duì)于模型飛機(jī)愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，制作和飛行F1D飛機(jī)是一種極富挑戰(zhàn)性和樂(lè)趣的活動(dòng)。通過(guò)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)校，愛(ài)好者們可以體驗(yàn)到極大的成就感。 這就使得它成為了另一場(chǎng)人與自然的較量，就像釣魚(yú)、帆船或狩獵等其他戶外運(yùn)動(dòng)一樣，它需要一定的觀察力、耐心和判斷力，而這些品質(zhì)，也是獲得其他領(lǐng)域成功的要素。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：火箭叔

審核：戴玉婷 北京航空航天大學(xué)飛機(jī)系教授

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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