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首先說明,本文只代表個人觀點,不作為任何自制飛機行為的依據,如有引用,后果自負。
本文的討論只針對具備基本飛行性能的,采用內燃機配合螺旋槳為動力源的超輕型飛機,至于高性能飛機、甚至專為特技表演設計的飛機,對大多數個人的能力來說都是遙不可及的,本文不予討論。
你的飛機竣工了,工藝品一般的招人喜愛。可要讓她順利飛起來,發動機是不可或缺的。但,多大馬力能飛起來呢?
我們先溫習一下馬力的定義:1馬力=735N/M,約等于75公斤/米/秒,也就是1馬力可以把75公斤重量在1秒鐘內提升1米。
接著看看你的飛機的升阻比,一般一戰后期的飛機可以做到10。帶螺旋槳整流罩,采用梯形機翼的二戰飛機由于速度的提高,也在10左右。現代的殲擊機亞音速時基本也可以達到10(速度越高時升阻比變的越差)。自制飛機的技術含量和外形,差不多和一戰飛機類似,一般可達到10【超輕型飛機手冊里的樣機,絕大多數升阻比大于10】,那么,假設你的飛機最大起飛重量是200公斤(飛機115公斤,不超過國家有關超輕型飛機規定,駕駛員體重最大85公斤公斤),那么,在升阻比為10的情況下,需要20公斤拉力,再根據翼型表查你的翼型和面積在多高速度能產生200公斤升力。比如最低離地速度36公里可以產生200公斤升力【超輕型飛機手冊里,大多數輕機失速速度在35公里左右】,那么合10米/秒,也就是最低需要20公斤拉力在每秒10米的速度就能保證飛機平飛,也就是需要2.67馬力能保證平飛。計算進螺旋槳效率,合理的手工漿在效率80%以上,保守取0.7左右那么2.67÷0.7=3.8馬力,也就是你的飛機需用3.8馬力發動機,就可以載85公斤公斤駕駛員保持平飛。
當然,這只是保持平飛所需要的功率,最重要的是起飛所需用的功率,簡單的說,起飛功率就是平飛功率加爬升功率,大多數超輕機爬升速率在每秒1米以上,如果取每秒1米,那么200公斤每秒1米就又是2.67馬力,通過螺旋槳0.7的功率因數,需要3.8馬力,那么平飛功率3.8馬力加爬升功率3.8馬力等于7.6馬力,算起來7.6馬力發動機就可以滿足起飛和巡航的要求了。
至此還沒有結束,還有需要消耗功率的地方——那就是輪胎與地面的摩擦。這個不容易計算,我們盡量選擇降低摩擦的方式,比如選取較平整的跑道,采用摩擦力較小的窄輪胎,那么這時需用功率大約與1.2千瓦的電動三輪車差不多,1.2KW電動三輪車總重200公斤時,最高速度可以達到40多公里每小時,【如果是寬輪胎越野飛機,坑坑洼洼的跑道,輪胎摩擦消耗功率大的驚人,這種方法我們不予討論】,那么1.2千瓦約等于1.63馬力,同樣這1.63馬力要通過功率因數0.7的螺旋槳輸出,那么輸入功率就是2.3馬力。
至此,所需用的基本功率都有了,3.8馬力平飛功率,3.8馬力爬升功率,2.3馬力起飛滑跑輪胎摩擦功率,加起來是9.9馬力,如果你的超輕型飛機設計、制造的還算合格【只需合格,不是優秀】那么9.9馬力就可以滿足基本的滑跑、起飛、飛行要求了,當飛機離地后,輪胎摩擦消失,余下來的2.3個馬力還可以幫助爬升。
曾有某航空論壇的某網友推算,只有12KW(16.3馬力)的發動機,才能維持超輕機真實環境下的平飛,認為只有達到25~30馬力才比較合適。在這里提一點不同意見,16.3馬力用于超輕機,功率已經遠遠超過維持平飛了!如果16.3馬力僅僅“才能維持真實環境下的平飛”,那么這個超輕機的氣動效率實在是太低了,已經低到不實用了。
下圖為這位網友的觀點
顯然,這位網友的指標都定的太高,比如230公斤的起飛重量,如果作為單人超輕機顯然是太重了,假設駕駛員體重80公斤,空機重量就達到了150公斤,已經超過116公斤國家規定的上限,不屬于超輕型飛機范疇,應屬于小型飛機了。還有巡航速度高達72公里每時,無形中增大了對功率的需求,如果巡航速度減小至51公里每時,需用功率就會下降一倍,如果設計巡航速度只有36公里每時,那么需用功率就只有72公里時的4分之1了。事實上,對于沒有任何飛行經驗,靠背飛行口訣去駕駛飛機的人,選擇良好天氣,能以36公里的速度巡航,能有低至20多公里的失速速度會比較安全、會更適合飛行與起降。
下列例子中的兩種國外機型,功率大的一種僅僅才12馬力,而且還能保證一定的飛行性能。
如果只是在良好的天氣里低空體驗飛行,進行較短時間的爬升,較長時間用來迂回、巡航的機型,那么上述計算功率完全可以滿足要求。國外成熟機型里面,依這個理念設計,比較成功的超輕型飛機有8馬力的“飛行自行車(flybike)”,12馬力的木結構的“木盒子(woodhopper)”等等。在這里有必要提一提“woodhopper”,也許有的朋友會認為“woodhopper”很難看,說它“簡易、粗糙”,懷疑它“能飛嗎”?但它僅僅搭載12馬力發動機,就可以實現短短的25米距離內起飛,帶一對3米大水靴都可以實現水上起飛,可見它所需功率并不大。并且“woodhopper”獲得EAA的認可和商業銷售許可,多年來保持了較低的事故率。 上述兩種飛機的共同特點是大翼面積,低翼載,低起飛總重量,低起飛、飛行速度,這些特點加起來,成就了小功率可以進行較短距離起飛與良好的飛行。
12馬力的woodhopper水上起飛
減小動力可以從以下途徑挖掘:1減小阻力,包括翼型阻力與壓差阻力。2選擇高強度、低重量材料,減輕起飛總重量。3加大翼面積、減輕翼載荷以利低速起飛。其中1、2條是有限度的,不可能把飛機造成錐子,因為升力體有截面積,壓差阻力總是存在,更不可能硬把體重減到50公斤。
在功率有限的情況下,只有增大翼面積,降低飛行速度來減小需用功率,因為翼面積越大,翼載荷越低,同樣功率時,起飛重量越大。理論上講,這個途徑是無限大的。事實上萊特兄弟就是這么巧妙做到的,那時,萊特兄弟的飛機連同飛行員在內,最大起飛重量達到360公斤,動力卻只有12馬力,每馬力需要產生30公斤升力!但是依靠48平方米的巨大翼面積,和只有7.5公斤每平方米的翼載荷,還有直徑巨大的低速螺旋槳,還是成功的飛行了59秒260米。
人力飛機在減小功率這方面做到了極限,采用碳纖維材料和塑料薄膜等高強度輕質材料,流線外形,特別是采用大面積大展弦比的機翼,以滿足低速起飛、飛行所需升力。人的長時間功率只有0.4馬力,人力飛機最大起飛重量不超過100公斤(含人),所以飛行速度只有每秒幾米。倘若給人力飛機裝上哪怕只有1馬力的10CC航模發動機,也足以流暢起飛和飛行。但是這種飛機特別怕風,3級側風便可以引起嚴重偏航。
人力飛機
好多個人制造的飛機飛不起來,究其原因,多半不是馬力不夠大,而是結構不合理,氣動外形不佳。換個馬力十足的發動機,可能勉強飛的起來了,不過那屬于“霸王硬上弓”了,沒有意義,如果是失敗的結構、外形設計,甚至再大的馬力也飛不起來。只有進一步優化結構,合理減輕重量,多途徑提高氣動效率才是正確的努力方向。