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滑翔机

滑翔机

滑翔机（glider）是一种没有动力装置，重于空气的固定翼航空器，起飞后仅依靠空气作用于其升力面上的反作用力进行自由飞行。它可以由飞机拖曳起飞，也可用绞盘车或轿车牵引起飞，还可从高处的斜坡上下滑到空中。在无风状况下，滑翔机在下滑飞翔中依托自身重力势能取得行进动力。

滑翔机主要由主翼、副翼、扰流板、尾翼等结构组成，可以分为固定翼滑翔机、动力滑翔机等类型。其工作原理是基于瑞士人雅各布·伯努利在1737年提出的流线速度与压力关系的流线运动方程，即著名的“伯努利定律”。

1801年，英国的乔治·凯莱研究了风筝和鸟的飞行原理，于1809年试制了一架滑翔机。1981年9月28日，美国运动员柯荒夫和R.甘农二人驾驶双座滑翔机，在一天时间内飞跃5000余公里，创造了世界双座滑翔机往返距离的世界记录。现代的滑翔机主要应用于航磁测量、体育运动等领域。

历史沿革

1801年，英国的乔治·凯利爵士研究了风筝和鸟的飞行原理，于1809年试制了一架滑翔机。1847年，已是76岁的凯利制作了一架大型滑翔机，两次把一名10岁的男孩子带上天空。一次是从山坡上滑下，一次是用绳索拖曳升空，飞行高度为2─3米。4年后，由人操纵的滑翔机第一次脱离拖曳装置飞行成功，凯利的马车夫成为第一个离地自由飞翔的人，飞行了约500米远。

1891年，奥托·李林塔尔制作了第一架固定翼滑翔机，两机翼长7米，用竹和藤作骨架，骨架上缝着布，人的头和肩可从两机翼间钻入，机上装有尾翼，全机重量约2公斤，很像展开双翼的蝙蝠。他把自己悬挂在机翼上，从15米高的山岗上跃起，用身体的移动来控制飞行。滑翔机在气流作用下，轻盈地滑翔，在90米外安全降落，从而肯定了曲面翼的合理性。这是世界上第一架悬挂滑翔机。1891─1896年间，李林塔尔共制作了5种单翼滑翔机和2种双翼滑翔机，先后进行了2000多次飞行试验。1896年8月9日，他驾驶滑翔机在里诺韦山遭遇强风而坠落，次日死去。

1900-1903年，莱特兄弟先后制造了3架滑翔机并进行了1000多次滑翔飞行。同时开展机翼翼型实验，不断修正了奥托·李林塔尔的一些错误的飞行数据。最终，他们的第三号滑翔机在试验中取得极大成功——他们已经能够长时间进行有效控制的滑翔飞行。

1914年德国人哈斯研制出第一架现代滑翔机，它不仅能水平滑翔，还能借助上升的气流爬高飞行，并且其操纵性能更加完善。

20世纪20年代以来，在一些工业发达的国家相继出现了动力滑翔机。这种滑翔机带有动力装置，能够自己起飞，在飞行中动力装置关闭后，仍能继续滑翔和翱翔，需要时还可以再次起动动力装置。

第二次世界大战中，大型滑翔机曾经用来向敌后空运武装人员和物资。尽管其载重量比较小（最大的不超过6吨），由于没有采用动力，可以利用夜间飞越严密设防的战线而不被察觉。

1959年，斯图加特大学研制出第一架全复合材料结构的滑翔机“Phönix”。

1965年，美国航空航天局工程师罗加洛设计了一种飞翼，当时是为了在地面回收人造卫星用的，因嫌体积大，没有被采用，以后经过他的改进，用于载人飞行，于是就发展成为以“罗加洛”命名的新型飞行器──悬挂式滑翔机。

1970年，美国设计出凌·特姆科·沃特(Ling-Temco-Vought)L450F侦察滑翔机，这是一种在60年代后期开发一种安静的侦察和监视飞机。供美国在越南战争中使用。该机是以SGS 2-32滑翔机作为基础，飞机拥有超过24小时的续航力。

1985年，日本悬挂滑翔代表团应邀来中国进行表演和交流。

1997年，美国DAPRA公司投入3500万美元，开始了为期四年的扑翼滑翔机研究计划。加州理工学院、多伦多大学、佐治亚州技术研究所、佛罗里达大学、Vanderbilt大学等单位研制了不同结构的扑翼滑翔机，其中加州大学伯克利分校研制的“机器苍蝇”扑翼滑翔机总重约为43mg，直径为5mm~10mm，采用太阳能电池和压电驱动。

2022年7月，亚利桑那大学与美国航空航天局（美国航空航天局）合作研制出火星滑翔机，旨在研究火星上当前和过去的天气和气候活动。

主要构造

外部结构

主翼

机翼是滑翔机重要的部件之一，主要作用是为滑翔机提供升力，滑翔机飞行时，受到气流的影响，会倾向左右两边摇摆，所以两翼要造成微微向上倾，形成上反角，亦即从机身前、后看，两翼略成V字形，以减轻左右摇晃的倾向。滑翔机的机翼要有足够的挠性，飞行中遇上紊流，可以稍微上下扑动，避免因变形而折断。

副翼

副翼是连动的，也就是当驾驶杆扳向右，右副翼向上摆时，左副翼同时向下摆，如此滑翔机会往飞行员右下的方向翻滚。

安装角

安装角是以飞机拉力轴线为基准，机翼的翼弦线与拉力轴线的夹角，主要影响滑翔机的俯仰稳定性。

机体材料

滑翔机常用的机体材料有铝合金、复合材料、碳纤维等，复合材料在滑翔机结构上的应用可以分为三个阶段：第一阶段是应用于受载不大的简单零部件，如各类口盖、舵面、阻力板、起落架舱门等；第二阶段是应用于承力较大的尾翼级主承力结构，如垂直安定面、水平安定面、全动平尾、鸭翼等；第三阶段是应用于主承力结构，如机翼盒段、机身等。而碳维凭借其极佳的重量以及强度优势，在滑翔机机体上也有很多应用，如有位奥地利人Felix Baungartner驾驶着1架碳钎维制作而成的滑翔机飞越了英伦海峡，从英国的 Dover 飞达法国的加来，行程长达33km。

操纵系统

扰流板

扰流板向上打开时，会将机翼上的气流扰乱，而使滑翔机减慢速度并下降。这个功能主要在降落时使用。

水平尾翼

主翼除了提供升力之外，亦产生一个会造成滑翔机沿著主翼翼展方向的轴向下翻转的力矩。这是造成许多飞行先驱丧生的原因之一。水平尾翼的功能就是提供一个矫正滑翔机俯仰或上下摇动的力矩，以确保飞行中的稳定性。

垂直尾翼

尾翼分为垂直尾翼和水平尾翼，垂直尾翼是用来保证模型飞机的纵向稳定性的，水平尾翼能够调节、稳定机尾气流，提供一部分升力，并通过提供力矩来调节飞机的俯仰。

升降舵

升降舵也是用驾驶杆操控的。当驾驶杆向后扳，升降舵向上摆，机头朝上；驾驶杆向前推时，升降舵下摆，机头朝下。

方向舵

方向舵是利用脚踏板来控制的。飞行员踩下左脚踏板时，方向舵向左摆，机头左转；踩下右脚踏板，方向舵向右摆，机头就右转。仅仅操纵方向舵只能改变滑翔机的位置，不能使滑翔机转弯。滑翔机有很强的直线飞行惯性(牛顿第一定律)，转动方向舵会引起侧向滑行，就像开快车急弯时的感觉一样，急弯路面通常会倾斜以防止车子打滑侧行，但是滑翔机在空中是自由的，要使滑翔机转弯而不侧滑，必须同时操纵副翼与方向舵。英文叫做bank，倾斜转弯。

气动外形

在气动性能方面，滑翔机的设计会考虑到其在大气中的阻力、升力和稳定性等因素。通过对机翼、机身和尾翼的形状、大小和布局进行优化设计，可以使得滑翔机具有较好的气动性能，实现更加稳定和高效的飞行。滑翔机的最优气动外形能够以较低的计算资源代价快速得到；双弧形翼型的气动特性较六边形翼型更有优势，叉形尾翼的静稳定性和控制效率高于十字形；优化后的外形极大地增加了滑翔机的滑翔距离。

导航通讯系统

滑翔机的导航系统通常包括GPS、惯性测量单元（IMU）、高度计和自动驾驶仪等组件。

GPS可以提供位置信息，帮助飞行员确定滑翔机的位置和航向。IMU可以提供姿态和速度信息，帮助飞行员控制滑翔机的飞行姿态和速度。高度计可以测量滑翔机的高度，帮助飞行员控制滑翔机的飞行高度。自动驾驶仪可以根据预设的航线自动控制滑翔机的飞行，帮助飞行员完成导航任务。

在动力滑翔机的导航过程中，飞行员需要预先规划好航线，并将相关信息输入到导航系统中。在飞行过程中，导航系统会根据接收到的GPS信号和IMU信号，以及预设的航线信息，自动控制滑翔机的飞行。飞行员只需要监控滑翔机的飞行状态和导航系统的运行情况，并在必要时进行手动干预。

基本原理

滑翔机必须以升力克服重力，以推力克服空气阻力才能飞行。升力主要由机翼上下表面压力差产生，亚音速飞机翼型（机翼横截面）大多上下近似对称以减小阻力，而滑翔机的翼型通常都采用类似克拉克Y翼型（典型的上凸下平），这样可以使无动力的滑翔机产生的升力更大，升阻比增加，滞空时间变长。

滑翔机升空后，除非碰到上升气流，否则空气阻力会逐渐减缓飞机的速度，升力就会愈来愈小，重力大于升力，飞机就会愈飞愈低，最后降落至地面。为了让滑翔机能飞得又远又久，它必须有很高的升力阻力比，这就是为什么滑翔机的机翼那么细长，如何突破滞空时间以及飞行高度的纪录是滑翔机设计与制造的最大挑战。

分类

动力滑翔机

20世纪20年代以来，在一些工业发达的国家相继出现了动力滑翔机。这种滑翔机带有动力装置，能够自己起飞，在飞行中动力装置关闭后，仍能继续滑翔和翱翔，需要时还可以再次起动动力装置。现有一些国家将动力滑翔机列为正式机种，发给证书。动力滑翔机具有结构简单、速度小、安全、经济、易学的特点，适用于普及活动。由于动力滑翔机具有依靠自身的动力起飞的优点，使用场地较小，有利于加快训练进程、提高训练质量，是节约能源的一种较好的飞行器，所以受到从事航空运动的人们的欢迎。

固定翼滑翔机

最早的固定翼滑翔机是由法国人拉·布雷克尔于1783年设计的一种木制滑翔机，成功地进行了滑翔实验，固旋翼滑翔机以其垂直起降、高航速及长航时等特点被广泛应用于电力巡线、安保防爆、航拍航测等领域中。主要包括飞机主体、电源系统、飞控系统、数据链系统及发射回收系统。

悬挂式滑翔机

1965年，美国航空航天局工程师罗加洛设计了一种飞翼，经过他的改进，发展成为以“罗加洛”命名的新型飞行器──悬挂式滑翔机。悬挂式滑翔机没有起落装置和座舱，驾驶员吊在升力面之下进行滑翔的简易滑翔机。悬挂式滑翔机按翼面结构，可分为两种：一种为硬机翼，形状像轻型的滑翔机；一种为伞翼。后一种在国际上开展得比较普遍。

悬挂式滑翔机的起飞方法比较简单，驾驶员手举轻巧的伞翼，在地面迎风奔跑，或从山坡顺坡跑下，只要能掌握好伞翼的迎风角度就可以飞起来。这种滑翔机容易操纵，在一般情况下一天可学会操纵动作，数月即可做特技飞行。驾驶这种滑翔机，人在空中像鸟一样飞翔，若利用上升气流，可以飞得更高。悬挂滑翔，目前在一些国家已成为一项群众性的航空运动。国际上成立了悬挂滑翔协会，每两年举行一次国际竞赛，有定点、留空、飞行距离等竞赛项目。

折叠悬挂式滑翔机

一战时期，奥地利人约瑟夫·弗朗茨·沃德克发明了折叠悬挂式滑翔机，折叠悬挂式滑翔机是没有起落装置和座舱，驾驶员吊在升力面之下进行滑翔的简易滑翔机。悬挂式滑翔机按翼面结构,可分为两种：一种为硬机翼，形状像轻型的滑翔机；一种为伞翼，在国际上得到普遍开展。

主要应用

航磁测量

使用动力滑翔机航磁系统进行低飞航磁数据采集，此系统是以动力滑翔机为飞行载体，整合先进的软、硬件技术，在低空范围内进行高精度磁测的系统。系统由滑翔机飞行平台、定位导航系统、磁测系统、磁补偿系统和数字化采集系统五部分组成。

体育运动

滑翔机作为一种比较具有危险性的运动也是被人关注，它通常与跳伞、动力伞、牵引伞、轻型飞机等并列为危险性大体育经营活动。中国国航运动联合会（FAI）对于滑翔机飞行员的能力评级为银质（总里程100公里）、金质（300公里）、钻石奖章（500公里）。而随着科技的进步，滑翔机材料变得更轻、更强，FAI又增加了600、750、1000、1200公里奖章。 2018年12月，中国选手杜鹏拿到了750公里奖章，而在他之前，中国人的最好成绩是500公里。

未来发展

外星高空滑翔机

外星高空滑翔机由亚利桑那大学与美国航空航天局（美国航空航天局）合作研制。该项目负责人亚历克斯·克林在声明中说，高空滑翔机将成为帮助NASA研究火星表面以上重要区域的宝贵资源。克林在NASA的火星气候建模中心工作，该中心旨在研究火星上当前和过去的天气和气候活动。火星滑翔机将包含一系列定制的导航传感器以及用于收集有关火星大气和地质信息的摄像头、温度和气体传感器。