原作者：Fred Thomas, Braunschweig,德国
译者：刘声博士，深圳市华力航空科技有限公司
编者按
德国是滑翔机起源之国。在2003年AIAA（美国航空宇航学会）的会议上，德国的Fred Thomas对滑翔机设计的百年发展进行了回顾。为了让国人更好地了解滑翔机的起源和发展，我们特别翻译了这篇论文。为了更适应读者的阅读，我们节选和改写了一部分内容。
摘要
开启人类飞行历史的首次成功尝试，是在不使用发动机的飞机上进行的。这些尝试曾经于19世纪的最后十年由奥托·李林达尔（Otto Lilienthal）在德国进行，也曾在上个世纪初由莱特兄弟（Wright brothers）在美国进行。借助安装的发动机，莱特兄弟成为现代航空发展的先驱。曾几何时，驾驶无动力飞机（也就是后来称作滑翔机(glider)或者翱翔机(sailplane)）的兴趣逐渐消散。在20世纪20年代，滑翔机的涅槃重生出现了，发展至今的滑翔机已经能够覆盖3000 km的飞行距离，同时以平均大约200 km/h飞行，而仅仅使用大气层中蕴含的能量来推进。
本系列文章将讲述有关下列内容的里程碑事件：
此外，在新世纪关于进一步提高滑翔机性能的想法也一并讨论。
概述
今天的高性能滑翔机，它的进化发展的起点是李林达尔的滑翔机。当今滑翔机高度复杂的气动和结构设计，使得它们能够飞行超过3000 km的距离，飞行超过60小时的时长，并上升到超过12000m的高度。
历史回顾
李林达尔在1890年代完成他的首次飞行时，他使用的飞行器是没有动力的，因此他只能从山丘的顶部向下飞行。李林达尔是第一个系统地研究升力阻力与机翼迎角之间关系，以及弯度对翼型气动特性影响的人。在这个基础之上，他曾经设计过一款非常轻，有着非常薄机翼，以外部支柱来提供强度的滑翔机。这实现了小翼载荷，也就获得了较低的前进速度和相对低的下沉速度，当然这也导致了糟糕的气动性能——不仅仅是指滑翔比，也包括危险的失速表现。飞行员则在机翼的下方悬挂着，通过他自身重心位置的移动来操纵飞机。（见图1）
图1 李林达尔滑翔机
莱特兄弟最早试验他们的飞机的时候，是没有安装发动机的。他们相对于李林达尔而言，最重要的进步是崭新的飞机操纵方式。飞行员利用滑翔机外形的改变来提供绕滑翔机三轴转动的操纵力矩，而非靠移动重心。这是靠改变可动操纵面产生绕飞机侧轴和竖轴的力矩，以及靠改变机翼的非对称弯曲来产生绕飞机纵轴的力矩实现的。这是一个巨大的进步，也是一种更加有效和安全的操纵方式。尽管莱特兄弟的飞机在没有飞行员的操纵输入下很可能是静不稳定的。
通过安装发动机，莱特兄弟开启了现代航空发展的序幕。早期的航空人将它们的精力集中在动力飞机的性能及其发动机的改进上。有关无动力飞机的兴趣逐渐消逝，在接下来的25年间也几乎没有什么进展。在一战后，德国被禁止研发和飞行“真”飞机，有关于无动力飞机的兴趣在德国的学生中兴起。在1920年，在Rhön山脉的Wasserkuppe，他们组织了一次会议，并尝试试飞仓促设计和制造的飞行器。这是一群奇奇怪怪的飞行器，看起来更像今天的超轻型飞机而非滑翔机。自山顶上，他们飞行了只有若干秒或分钟，也只达到了很短的距离。把飞行器运到山丘上的时间比飞行时间的十倍都多。这些类似风筝的设计只关注低重量。结构强度和刚度主要依靠外部支撑的桁架和支柱。气动性能是相当差的。飞行高度和飞行速度很低（由于低翼载荷导致），这使得飞行员在坠机时候大多不会受伤。
之后，一些关于提升飞机性能的新想法得到了迅速地发展。汉诺威技术大学的科研飞行队系统地研究了设计参数与无动力飞机下沉速度之间的关系。当这项研究完成时，转折点出现了。他们把研究成果应用在了全新设计的飞机上，名为“吸血鬼”（Vampyr）。空气动力学被认为是滑翔机设计的主导因素，这个认识使得当时的设计第一次和当今的滑翔机设计有几分相似。“吸血鬼”的机翼使用了著名的哥廷根（Göttingen）系列翼型，同时具备足够的厚度来放置承载的大梁和D形抗扭盒式结构构成的机翼前缘。足够的结构强度和刚度能够实现相对大的展弦比，而不需要外部支柱。飞行员则坐在封闭机身的座舱里。在1922年的Rhön第三届会议时，滑翔机已经实现了一个小时的飞行时长。飞行时长在这之后达到了三个小时——这借助了Rhön山脉迎风面的上升气流，由水平风受地形影响向上转折而得。“吸血鬼”的设计是滑翔机设计的重要里程碑（见图2）。
图2 吸血鬼滑翔机（1922）
飞行时长随后又迅速增加到了12小时上下，甚至更多。无法再增加不是因为滑翔机性能提升的不够，而是飞行员的耐力和稳定气象条件的限制。在二十年代的晚期，有关热力翱翔的潜力被探索了出来。这给了滑翔机设计一个新的促进。鸟类已经利用这种能源飞行了上百万年了。通过这种方式，就能够离开山坡的地理限制，并能够实现越野飞行。滑翔机设计的设计目标逐渐转向为不仅仅是追求低的下沉速度，还有在高水平飞行速度下的良好升阻比。这赋予了气动设计更多的主导角色。对于动力飞机，在气动性能上的妥协是可以接受的——因为往往更换一台更强劲的发动机比改善气动性能更简单也更经济。滑翔机则不允许这种妥协。在任何情况下，气动特性必须要在结构重量和成本的限制下达到最优。
直到第二次世界大战开始，在Rhön山脉每年举办的滑翔机竞赛提供了一个很好的风向标，以展示滑翔机取得的发展。当时，滑翔机可以飞行500公里，滑翔比则接近30。
在战争的停滞期后，滑翔机的发展在40年代晚期和50年代早期得到了恢复。在战争期间被首次应用的著名NACA6系层流翼型也促进了滑翔机的进步。层流翼型的应用需要非常光滑的机翼表面以及非常准确的翼型外形。只要使用木材、金属（主要使用在美国），这就难以实现。经过努力，仅在机翼前缘保持层流的木质滑翔机被研发了出来。例如，Ka 6型滑翔机，曾经霸占了1950年代晚期和1960年代早期的滑翔机竞赛排行榜。
图3 Ka 6滑翔机
在五十年代，当Eppler专门为滑翔机设计翼型时，崭新的设计方法诞生了。新的技术利用了玻璃纤维复合材料技术，能够制造出非常干净和光滑的表面，以及高度准确的翼型。层流的潜力因此可以按照滑翔机设计的需要进行拓展。纤维增强结构的发展，以及层流机翼的发展，一并给全世界的滑翔机带来了一场革命。由斯图加特的Epper和Nagele设计和制造的“凤凰”型滑翔机在1957年进行了首飞。它开启了新时代的滑翔机设计。这必然是滑翔机发展的最重要里程碑。
图4 凤凰型滑翔机 (1966)
在60年代，布朗斯威克技术大学（Braunschweig）、达姆施塔特大学（Darmstadt）、斯图加特大学（Stuggart）的科研飞行队的学生们通过利用和改进新的设计方法，研发了一系列成功的滑翔机。
若干年后，这些学生中的一些人（G. Waibel, K. Holighaus, W. Lemke, W. Dirks以及其他）进入了滑翔机厂商的设计部门。工业界非常快地接受了新的设计方法。像Schempp-Hirth, Schleicher, Rolladen-Schneider, Glaser-Dirks, Glasflugel, Grob, Stemme，还有其他的公司，生产了新一代的滑翔机。至今它们还飞翔在世界的各个角落，引领了滑翔机总体性能的飞跃以及世界纪录的持续刷新。在不到十年的时间里，木质滑翔机从重要的赛事中退出，被由复合材料制作的滑翔机取代。典型案例见图5~9。
进一步的发展是可通过使用碳纤维来实现的。碳纤维在强度上超过玻璃纤维，而在刚度上甚至超过更多。大展弦比大翼展的薄机翼变得可行。与经改进的翼型一道，Eta滑翔机成为集大成者，具备不可思议的性能。拥有31米的翼展，51的展弦比以及70的滑翔比，这是目前最先进的滑翔机了。
图5 标准级 ASW19滑翔机（1975）
图6 标准级 Discus 2b 滑翔机(1998)
图7 18米级 LS 9 滑翔机（2001）
图8 双座开放级ASH 25 滑翔机（1986）
图9 双座开放级DG1000 滑翔机（2000）
图10 Eta 滑翔机
图11 Eta（2000）
参考文献：
[1] Thomas, F.: Fundamentals of Sailplane Design, (translated by Judah Milgram), College Park Press 1999. (www.cgpp.com)
[2] Brinkmann, G. and Zacher, H: Die Evolution der Segelflugzeuge, Bernard & Graefe, Bonn, 1992. (Vol.19 of „Die deutsche Luftfahrt: Buchreihe über die
Entwicklungsgeschichte der deutschen Luftfahrttechnik“, edited by T. Benecke).
[3] Reichmann,H.: Streckensegelflug, Motorbuch Verlag, Stuttgart,1975. Appeared in English as Cross-Country Soaring, Knauff and Grove, Julian PA, USA,1994.
来源：华力航空
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