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空中课堂:攻角与主动飞行

来源:翱翔欧洲作者:翱翔欧洲 匿名蛙 
文章附图
"主动飞行"这个概念,每个人都知道,但众说纷纭。找十个人问问,什么是主动飞行,往往得到十种回答。

要让学生很快明白什么是主动飞行,似乎也是让教练们比较头疼的一件事情。往往是教练说了半天,学生还是云里雾里。以至于对这个事情的理解,好像基本主要靠"悟",跟修行悟道一样。。。结果是悟了个稀里糊涂,然后不知从何学起,这在滑翔伞运动发达的欧洲也不少见。


在很长一段时间里,主动飞行也让我非常迷惑,尽管听到的各种不同的说法,但似乎都没能让心中拨云见日。


究其根本,还是没能抓住主动飞行的本质。

本文将尝试从狭义的角度去寻找主动飞行的本质。希望能借此为"主动飞行"这个众说纷纭的玄幻概念,勾勒出一点更加具体的轮廓。以期能使其易于理解,从而能有的放矢去训练主动飞行能力,提高训练效率。

主动飞行的本质是什么?

滑翔伞是个比较奇葩的飞行器。迄今为止,航空领域所有的空气动力学原理,都不能彻底解释滑翔伞上的空气运动情况。几乎没有其它任何飞行器可以像滑翔伞一样,重心(飞行员)挂在飞行器下面好几米,并且整个体系还会来回晃动,这决定了其不稳定的气动特性。

尽管"飞行员+伞头"组成的这个"晃荡"体系总会自动趋于稳定,但是在不稳定的空气中,其趋稳性也不都是有效的。这时候整个体系的摆动会造成不稳定的压力点变化,并常会因此造成伞头攻角的变化。如果这时候飞行员不主动地干预去控制攻角变化,那么这时的伞就如同一个喝高了的船长在波浪中开船一样。

攻角变化对滑翔伞飞行安全的意义简单来说主要有两点:

1. 伞头攻角过大=>伞上翼面气体流动中断 =>失速 (包括spin)

上图说明:

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图1:气流中断。滑翔伞攻角变大,上翼面气流流动中断,失速风险增加!

来源:Flugschule Oberbayern



2. 伞头攻角过小=>伞头滞点转移 =>塌陷(折翼,前缘塌陷)

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图2:滞点(Stagnation point)是流体力学指流场中速度为零的点.。 滑翔伞攻角变小时,滞点(图中红点处)向上移动,塌陷风险增加。

来源:Wikipedia


重要的是:

无论是失速还是塌陷,尽管结果都会造成伞具飞行性能的破坏,但二者却是完全不同的两个概念,诱发二者的原因恰恰也是相反的。

举例:下图1和2两种情形哪个是折翼哪个是气流中断?

23.jpg

图3:折翼VS气流中断复制这里看答案=>   图1是折翼,图2是气流中断
来源 DHVinfo


划重点:


从狭义上讲,飞行员主动应对伞头攻角变化,将其稳定的维持在安全的范围之内,以借此将伞头稳定的控制在飞行员头顶,就是主动飞行要解决的核心问题。换句话说,主动飞行所要解决的核心问题的本质,就是攻角控制


而对攻角的控制,是通过飞行员对伞压变化信号的感知,借助下拉或释放刹车来实现的。


在实际飞行中,除了利用刹车对伞压变化做出应对以控制攻角变化之外,也可以通过主动座压调整 主动加速方法来进行。

有人可能会说,这个说法还不足以描述主动飞行。但是从狭义上来讲,这样的说法却能从本质上使主动飞行这个飘渺的概念变得具体化。只有把问题具体化,才能更容易理解。只有理解了主动飞行的本质,才能理解为什么主动飞行是安全飞行,高效飞行的前提,这为有针对性的训练主动飞行能力,就打下了基础。

所以理解主动飞行的"突破口",就在于对攻角的理解

如何理解攻角?

对于攻角(Angle of attack)的解释网上有很多。在理论学习中,每个人也肯定都有接触过。可惜这部分理论学习往往被多数人给忽视了,以至于很多人分不清楚什么是攻角,什么是仰角

简单说:
滑翔伞的攻角就是来流方向(气流吹拂的方向)的夹角。在正常巡航状态下的伞头健康攻角大约在:+9度

需要强调的是:这二者都是可变的!

1.来流方向
在平静气流中的正常飞行状态下,滑翔伞向前飞行,并逐渐下沉。所以来流相对于滑翔伞运动方向,是从前面,略下方来的。但是在乱流中,气流吹拂可能会是从不同的方向,所以来流方向是个可变量

2.翼

翼弦(Engl. Chord),是机翼前缘和后缘之间平行于正常气流流动方向的距离。对于滑翔伞而言,伞弦被理解为伞鼻和后缘之间的假想连接线。它相对(之前)的位置状态,当然也是随时可以发生变化的,比如伞头发生前冲或后仰等运动时。(图4)

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图4:滑翔伞翼弦, 来源:Papillon


上图说攻角:

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图5:攻角正常(A),攻角大(B),攻角小(C)


一般来说,正常飞行中,来流方向稳定不变的情况下,伞头后仰,攻角变大,伞头前冲,则攻角减小。

但同时需要明白:


攻角的变化情况,要看来流方向和翼弦二者同时的变化关系而定。只有在其中一个变,另一个不变的情况下,才能引起攻角的变化。如果两个都变的时候,具体攻角变大还是变小,要结合二者具体的变化关系而定。不能死板的理解为,伞头(伞弦)没有发生前俯或后仰,那攻角也就一定没有变化,反之亦然。

举个例子:

图6中A和B两种情况攻角一样大吗?

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图6:攻角比较   匿名蛙

图6中A状态到B状态,翼弦的位置状态尽管没变,但B中的来流方向变成了从上面来,此时的攻角已经明显变成了负值,所以更小,此时塌陷随时可能发生!

再举个例子:

做B-Stall消高时,攻角发生了怎样的变化?

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图7:B-Stall攻角   匿名蛙

做B-Stall时,尽管伞头(翼弦)一直稳定处于飞行员上方没有太大变化。但是,由于伞头此时几乎垂直下落,也就是说来流方向,由原来从前微下方,变成了垂直向上,此时来流方向和伞弦的夹角几乎变成了90度,所以此时攻角变的很大图7

上面我们说过,攻角过大会导致气流中断,伞头因此丧失向前的速度,从而下坠。而这,也恰恰是为什么B-Stall可以消高的空气动力学本质,这也是为什么做B-Stall不会发生折翼的原因(折翼是攻角太小的结果)。


留给大家一个思考:


为什么地面斗伞训练时,比在空中实际飞行时更容易发生折翼?欢迎讨论。


什么是伞压?

前文说过,对攻角的控制,是飞行员通过对伞压的感知,借助操控刹车来完成的。伞压是主动飞行的基础

我们常说的控制绳上感知到的这个"伞压"概念,尽管是一个流传广泛的说法,但却并非一个准确的表达。因为本质上讲,它并非压力,而是作用在刹车绳上的拉力。但是由于伞压的说法已经被普遍接受,所以也但用无妨。只是任何事情,只有理解其本质,接受起来也才能更加容易。


攻角的每一个变化之初,都会通过刹车绳上的控制压力体现出来。伞压能为飞行员提供关于伞头攻角变化的精确信息,从而让你知道伞头的运动趋势,和具体状态。


对伞压的精确感知,和对刹车环的握法有很大关系,半绕式法式都是不错的握法。但是相较于半绕式握法,法式握法不利于在紧急情况下,迅速将手从刹车环里脱出。特别是戴了厚重手套时,在法式握法下,迅速脱手就变得更加困难了,这为紧急情况下抛副伞就埋下了隐患。



主动飞行有哪些基本原则?

1. 原则一: 目视飞行方向
飞行员不需要一直看着上面的伞头去判断伞头的状态。通过对飞行方向地平线相对位置的变化观察,可以很好的识别伞头的飞行状态。

上图说明:

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图8:通过目视前方地平线可以很好的辨识飞行状态。 匿名蛙据DHVinfo

只有保持目光投向飞行方向地平线,飞行员才能更好的识别自己的空间和位状态,以便做出正确的飞行判断和操控,这是主动飞行的一条重要原则。

2. 原则二: 攻角变大 - 禁止刹车, 攻角变小 - 必须刹车!
来流方向不变的一般情况下,伞头如果向前冲,攻角就会变小。如果前冲过度,由于过小的攻角会引起折翼塌陷,因此必须通过同时下拉两边刹车来阻止伞头前冲。

相反,如果攻角变大,伞头后仰到飞行员后面。比如,飞行员飞入上升气流时,这时伞头就更接近气流中断状态。如果继续大幅增加刹车量,那么就会导致失速或者spin。因此在伞头后仰的时候,就不能再刹车了。或者假如本来刹车就带得多,这时候就需要松开刹车了。

3. 原则三: 等压飞行
在平稳的气流中,最小沉降飞行状态下的最佳伞压大约在2daN对这个力量形成肌肉记忆。飞行中,一旦这个力量发生了变化,就要主动去将熟悉的拉力重新在寻找回来。在做俯仰运动的时候,伞压变化是最明显的。
伞头状态
变化
应对
前俯
攻角变小=>作用在伞头上的空气合力减小=>伞压减小=>刹车路径延长。
重新增大攻角,就必须把刹车拉的更多一点,直到拉到手里又重新有熟悉的伞压为止。
后仰
攻角变大=>作用在伞头上的空气合力增大=>伞压增大=>刹车路径缩短。
为了重新增大攻角以应对,就必须把刹车回放一点,回放到手里又重新有熟悉的伞压为止。
表1:俯仰运动中伞压等变化     匿名蛙

掌握主动飞行能力,在现实情况中却往往更加困难。比如飞过强烈乱流时,可能作用在不同伞头位置的力量不同,伞头并不会以完美的对称姿态飞过,导致伞的不同部分攻角变化并不一致。这时要保证等压飞行,就需要双手的操控能够:"异步异量,互不干扰"。这是一个难点。

4. 特例

以上说了主动飞行的三个基本原则,尽管这些原则几乎适用于所有的飞行状况,但是也有特例


我们SIV做全失速时,伞头在飞行员后面(攻角大)的时候,我们却要保持下拉刹车,只有伞头在飞行员前面(攻角小)的时候,才可以释放刹车改出,这与以上主动飞行原则恰恰相反。


为什么?

当伞在飞行员后方时:如果这时放开刹车,伞头会向前下方冲,飞行员会向后上方摆。 这是最有利于整个飞行系统发生大幅度摆晃的能量条件。 伞头会最大程度的向前冲,直到飞行员向后摆的动能,完全消失并停止继续向后运动。 在极端情况下,伞头的前冲可能会把飞行员拉进伞头里,我们俗称的"包饺子"。图9左侧

上图说明:

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图9:Fullstall中的运动状态, 匿名蛙据DHVinfo

当伞头在飞行员前面的时候如果这时候释放刹车,伞头会向前下方运动,但同时,飞行员也会朝着同样的方向运动。二者同向运动的能量抵消,就会使得整个飞行体系更快进入稳定状态。图9右侧

什么是座压?

座压就是能用臀部在座袋里感受的压力变化。

根据座压变化主动调整身体重心,也是主动飞行的一个重要部分相较于伞压,座压是被缓冲过的,不像刹车上感受到的伞压那么直接明显。对称的俯仰运动时座压变化,如同荡秋千时座板上的感受。

伞头运动状态
座压变化
前俯
座压减小
后仰
座压升高
表2:俯仰运动时座压变化,匿名蛙

对于座压变化的及时感知,会让你觉察到伞头即将发生折翼侧伞半的卸力。及时通过倾斜臀部对座压变化加以应对,比如及时将臀部倾斜到感觉有卸力信号的一侧,有利于该侧伞半重新增加负载,均衡攻角变化。*注意:这是针对折翼发生之前而言。

在湍乱气流中飞滑翔伞,保持身体张力是很重要的。这不但提高了整个飞行系统的稳定性,也能避免飞行员无意的身体倾倒。胳膊要能和身体互不干扰的异步运动,避免在身体无意倾倒时,胳膊下意识的支撑反应。胳膊这个下意识的支撑反应,必然导致过度下拉刹车,引起更大的麻烦。只有这样才能保证主动飞行的效率。

什么是主动加速

主动加速是加速飞行状态下的主动飞行操作。简单来说,就是主动通过踩,收加速棒,来稳定伞头攻角。这是一个高阶的操作技能,优秀的竞速飞行员对这个操作都不陌生。

主动加速的基本原则:

伞头状态
攻角变化
加速操作
操控结果
前冲
减小
收加速
攻角重新变大
后仰
增大
踩加速
攻角重新变小
表3:主动加速基本原则, 匿名蛙据Vogel

这里需要注意的是:不能简单的按照伞头是否在我们的前方,或者后方来判断是否踩收加速,还要看伞头的运动趋势

因为:
当伞头已达到后仰的最后点,并且处于重新开始向前运动的时候,尽管此时伞头还是在我们后面,但却不能再踩加速,而要放加速,只有这样才能将伞头稳定的维持在头顶。否则会加强接下来的伞头的前冲。

相反:
当伞头已达到前冲的最前点,并且处于重新开始向后运动的时候,尽管此时伞头还是在我们前面,但却不能再收加速,而要踩加速,只有这样才能将伞头稳定的维持在头顶,否则会加强接下来的伞头的后仰。

加速的收放具体的量是多少呢?这个具体情况下,具体伞头都有不同表现。

原则:操作到伞头稳定在飞行员头顶为宜。

上图说明:

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图10: 主动加速, 来源:匿名蛙据Vogel

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图11:主动加速, 来源:匿名蛙据Vogel
重要:根据伞头不同,通过加速来做俯仰也能做到伞头发生前缘塌陷的幅度。有的伞头全加速状态下的前缘塌陷反应非常激烈,会导致伞头激烈大幅后冲,完全塌陷,伴随严重夹页,等一系列激烈后果。所以不要盲目操作。最好从小幅度开始,逐渐加强幅度训练,不能一开始就玩的太猛。做这个练习前,必须完全理解并掌握通过控制绳的主动飞行技能,最好在SIV中练习。

通过主动加速,应对攻角变化,稳定伞头,减少伞头飞行效率损失,有效的控制航速。关于航速理论请参考翱翔欧洲往期文章:《极速滑翔的秘密:MacCready》


32.jpg


如何训练主动飞行能力?

地面练习:
地面控伞训练是练习伞感最简单的方法。训练时重点要放在盲控上,不要用眼睛去看伞头的状态。地面训练主动飞行能力之前,要确保你已经掌握了基本的控伞能力,可以将伞头拉起并稳定的控在头顶。

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图12: 地面训练, 匿名蛙据DHVinfo

第一步飞行员把伞拉起来控稳在头顶。双手刹车量保持在基本位置,不要用眼睛看伞。

第二步:让同伴利用下拉A组最外侧伞绳制造一个折翼。配合制造折翼的同伴要注意,在制造折翼时,要通过短暂有力的脉冲式下拉A绳,以便能制造一个突如其来的折翼, 而不是慢慢拉着A绳不放制造折翼,这样就达不到训练目的。

第三步飞行员操控应对训练。
训练1. 这时候飞行员会明显感觉到折翼侧的伞压骤减。然后立即对骤减的折翼侧伞压做出操控反应。重点是,飞行员要尝试比同伴做出更快的反应,以达到防止,或者减小折翼幅度的训练目的。

训练2.   故意让折翼后的伞头发生动态的前冲,然后有力果断的利用刹车拦截伞头前冲。你可以发现,你这时往往要拉下来很多的刹车才行,同时也可以借此模拟训练重新释放刹车的量和时机。

空中练习:
俯仰滚荡,以及快8字飞行这三个飞行动作,基本可以模拟所有伞头空中运动状态。而俯仰是其中最重要的。关于主动飞行训练有句话叫:"俯仰训练是主动飞行训练之母"。

俯仰训练的目的是,人为制造伞头的明显前冲,以便能够训练通过刹车拦截来阻止伞头前这个操控行为。通过俯仰训练,可以很直接的训练飞行员对刹车拦截的强度,速度,以及重新释放刹车的正确时间点的把握。

最后

主动飞行的基本原则,在各种不同飞行情形中都适用。包括在平坦的或倾斜的场地起飞,盘气流,折翼,前缘塌陷,螺旋等。

但是在失控的旋转中,伞的运动状态要复杂的多,不仅仅只是攻角的变化了,这种运动状态
中说主动飞行,是件很复杂的事情,不好说。

作为一个例外,发生气流中断时(单边的气流中断除外)的操控原则,恰恰是跟主动飞行的基本操控原则相反的。这个我们在前文已经借助全失速的例子说明过了。

在"主动飞行"这个概念兴起之初,人们赋予它的含义更多就是狭义上的。而随着滑翔伞运动的不断发展和飞行技术理念的不断成熟,主动飞行逐渐被人们赋予了更多的含义。

广义上的主动飞行肯定是个更大的题目。它不仅包括飞行员稳定攻角变化的持续性操控行为,也包括续性的,前瞻性的飞行风格等更广泛的内容。比如,主动发现可能存在的背风或乱流区。比如,开启身体各种感官去积极感知气流运动,温度,湿度。其目的也不光是为了稳定攻角以提高飞行安全,还有提高飞行效率,这在竞速飞行中尤为重要。

总之,广义上主动飞行能力的养成,前瞻性飞行风格的塑造,这都需要飞行时间,经验,知识的积累和沉淀。这是一个长期的过程,也是一条每个飞行员需要自己不断去探索的飞行道路。对此,每个人都有不同程度的理解,这显然是通过一篇文章无法详说的。


天空很辽阔,我们一起飞!