风筝设计师”软件使用说明

沈海军 教授

同济大学航空航天与力学学院

一、“风筝设计师”简介

风筝相传最早由我国春秋战国时期的鲁班发明，属于世界上最早的航空器。“风筝设计师（kite designer）”是一款风筝力学设计的公益航空科学教育软件，由同济大学沈海军教授团队研发，非常适合具有初高中物理及以上知识的人群设计风筝时使用。

该软件目前的版本为“kite designer ver2.0”，其运行程序kite designer ver2.0.exe，可从沈教授的百度网盘直接下载，下载链接: https://pan.baidu.com/s/19Wyg_wZmjClY5EsUz2nUYA 提取码: a4wk。

该软件可在widows操作系统的PC电脑上运行，由Visual Studio（VB）语言编制而来。“风筝设计师（kite designer）”是一款带图形用户界面的程序，其在Windows界面上显示的图标为。

鼠标左键连击图标后，会显示如下的图形用户主界面。

图1 “风筝设计师（kite designer）”软件图形用户主界面

    如图2所示， “风筝设计师”软件的主界面由四部分组成：第一部分为图中红色框内的菜单栏；第二部分为蓝色框内的风筝视图框；第三部分为黄色方框内的输入框；第四部分为绿色框内的输出框。

二、风筝材料与形状的选取

“风筝设计师2.0”设计风筝时共有7种类型的风筝可供选择，见图2主界面左下方风筝视图框。具体包含有六星、七星和九星等3种板鹞风筝。板鹞风筝是我国南方“风筝之都”--南通的特产，以平板、模块化、带口哨和国画著称。风筝古代北方叫鸢，南方叫鹞，自古以来就有“南鹞北鸢”之说；关于板鹞风筝的长相，见参考文献[1]和参考文献[2]，沈教授团队曾助力国粹板鹞风筝传承，事迹还上过CCTV4呢[3]。

除3种板鹞风筝外，该软件还包括了“王字形”、三角形、菱形和盒子风筝等4种常见类型的风筝。

图2 “风筝设计师”软件主界面由四部分组成

鼠标点击菜单栏“材料与形状”后，便依次选择设置待设计的风筝“骨架材料”、“蒙皮材料”和风筝“形状”。

风筝“骨架材料”下拉式菜单内有 “竹”和“玻璃纤维杆”两种选项，见图3。“竹”和“玻璃纤维杆”骨架的默认密度分别为“1.5g/cm3”和“2.4g/cm3”，骨架默认的直径为0.3cm。

图3 风筝“骨架材料”及其密度

输入框“蒙皮材料”下拉式菜单内有“报纸”和“涤纶”布两种选项，见图4。“报纸”和“涤纶布”的默认密度分别为“50g/cm2”和“114g/cm2”。

图4输入框“蒙皮材料”下拉式菜单内有“报纸”和“涤纶”布两种选项

输入框 “形状”下拉式菜单内，可选项有“六星”、“七星”、“九星”板鹞风筝以及“王字形”、“三角形”、“菱形”和“盒子风筝”等7种待设计的风筝类型。

图5 输入框 “形状”下拉式菜单内有7种待设计的风筝类型选项

三、风筝本体的选取

鼠标点击菜单栏“风筝本体”，便会显示图5的界面。该界面左半部分显示的是风筝的俯视图和侧视图，两个视图中显示了该风筝的几何参数。譬如图5中盒子风筝的横截面盒段对角线a，盒子上下端蒙皮的高度b，以及中间没有蒙皮的骨架高度c。a、b、c 3个风筝几何参数可以从图5右上方输入框内输入自己想设计风筝的对应具体数值。本软件该盒子风筝案例中的默认值为a=12.5cm、b=12.5cm、c=25cm。

注意：本软件7种风筝自带的默认值均经实践证实，属于较为成功且容易制作的风筝设计方案。

图5 风筝的视图与几何尺寸

四 风筝提线和尾巴的设置

鼠标点击菜单栏“提线和尾巴”，便会显示图6的界面。该界面左半部分显示的是风筝的侧视图，视图中显示了该风筝的拉线上半长度尺寸B和拉线上半长度K。该风筝提线的几何参数B、K可以从图6右上方输入框内输入自己想设计风筝的对应具体数值。本软件该盒子风筝案例中的默认值为B=25cm、K=25cm。风筝尾巴的数量可从图6右上方输入框内“尾巴条数”下拉菜单内选取，数量可以是0条（无尾巴）、1条或者2条。风筝尾巴的长度在输入框内的默认值为200cm，尾巴材质默认是涤纶布条，布条宽度为3cm。

图6风筝提线和尾巴几何参数的设置

五 风筝放飞环境的设置

鼠标点击菜单栏“放飞环境”，便会显示图7的界面。该界面左半部分显示的是风筝放飞时的侧视图，视图中显示了该风筝的放飞高度Y、放飞水平距离X以及风向。设计风筝时，该风筝放飞时的风速、空气密度、放飞线、放飞线材质、风筝负载等数值均可以从图7右上方输入框内输入自己想设计相应数值。本软件该盒子风筝案例中的默认值为：风速10m/m、空气密度1.229kg/m3、放飞线长500m、放飞线材质-尼龙绳、负载0g（无负载）。

图 7 风筝放飞环境的设置

当然，设计者可以根据天气预报的风力情况（见表1）在软件输入框中输入具体的“风速”值；将输入框“空气密度”1.229kg/m3改为火星大气的密度0.012 kg/m3，来进行火星风筝设计；将输入框的“负载”改成某相机的重量，进行“侦查风筝”设计。

六 风筝设计与性能计算

风筝“材料与形状”、“风筝本体”、“提线和尾巴”、“放飞环境”参数设置（或参数输入）完毕后，鼠标点击软件右下方输出框内的“设计”。输出框内便会计算显示出风筝的升力、阻力、重心位置、压心（压力中心）位置、飞行高度、飞行距离、风筝的蒙皮面积、骨架总长度、风筝的俯仰力矩（严格意义上应为0，但这里我们设置了一个很小的力矩门槛值0.03N*cm）以及风筝（平衡/平稳飞行时）的迎角，见图8。图中输出结果为风筝稳定空中飞行时的性能参数。如果风筝不能在空中稳定飞行，软件就会出现警告“计算失败”，见图9，说明用户所设计的风筝，方案（参数）是失败（错误）的，因此这就要求用户要重新修改各种参数，并点击“设计”，来观察自己的风筝是否“可飞”。

注：软件中风筝的气动升力、阻力、压心（压力中心）位置、飞行高度、飞行距离、风筝的俯仰力矩及风筝平衡迎角的计算公式见文献[5]。

图8 所设计风筝的性能参数

图9 风筝设计方案失败提示

结束语

航空强国要从航空基础科学教育抓起，要从青少年抓起，航空科普要依靠无数航空工作者的无私奉献和深厚情怀。

值全国科技工作者日来临之际，沈海军教授团队历经3年，终于推出了 “风筝设计师（kite designer2.0）”风筝力学设计软件。这是一款完全免费的公益航空科普软件，希望我们的中小学、教育机构，少年宫能把它利用好，把中国风筝的古老传统文化发扬光大。

 参考文献

[1] 沈海军，“北鸢南鹞”，领略国粹之南通的板鹞风筝，https://blog.sciencenet.cn/blog-39356-1253720.html。

[2] 沈海军，能在人的风筝https://blog.sciencenet.cn/blog-39356-1254076.html。

[3] CCTV4：沈教授团队助力国粹板鹞风筝传承呢，https://blog.sciencenet.cn/blog-39356-1392102.html。

[4] 沈海军，袁国青.风筝设计及其在航空教育实践中的应用，力学与实践，2022（1）