琦君
飞机的地面效应
飞机降落时很难降落,起飞时很难上升空。它经常要在跑道上“漂浮”一段时间。
大家平时坐飞机的时候,有没有注意到一个奇怪的现象,就是飞机会在跑道上“延迟”很久才降落。为什么?其实这是一个著名的物理现象,也被用来制作被称为“怪物”的军用飞机。今天,我们就来看看每个乘客都遇到过,却很少有人知道的“地面效应”。
根据美国海军学院的说法,飞机在起飞和降落时,往往会在跑道上“漂浮”很长时间,这就是地面效应的作用。那么地面效应的原理是什么呢?地面效应主要来源于阻力的减小和升力的增加。飞机在飞行中遇到的主要阻力来源之一是机翼末端的翼尖涡流。根据NASA 空的说法,当飞机接近地面或水面时,翼尖涡被破坏,阻力会减小。这种由翼尖涡破坏引起的阻力减小被称为翼展主导的地面效应。接近地面时,翼尖涡(图中圆圈)被破坏,因此阻力减小。
另外,飞机在贴近地面飞行时会遇到气垫。这种气垫也被称为无形的“上帝之手”,为飞机提供了强大的升力。这种在接近地面时获得的空气系技能提升也叫跺脚效果。
早在20世纪20年代,飞行员就已经通过第一手的飞行经验了解了地面效应。1934年,美国国家航空空咨询委员会(NACA)的技术报告《技术备忘录771》指出了地面效应对飞机起降的影响。德国巨型飞艇多尼尔DO-X
一些飞行员甚至故意使用地面效应战术来节省燃油和低空飞行。比如1930年,德国巨型飞艇多尼尔DO-X在飞越大西洋时就利用了地面效应。二战时,当飞机没油或发动机失灵时,一些飞行员会在海面上低飞,以借助地面效应让飞机飞得更久。
如此诱人的“加血加魔”物理法则,军方自然不愿意放过。上世纪60年代,苏联和德国都在积极研制地效飞行器——地效飞行器。1967年,当苏联研制的地效飞行器“里海怪物”的原型机出现在里海时,美国情报部门大为震惊。
当美国中央情报局(CIA)的分析人员看到里海怪物的卫星照片时,他们搞不清楚这是一艘船还是一架飞机,因为它的吨位和船一样大,超过了当时已知的任何飞机,但它的机翼很小,可以高速飞行(最大速度为560 ~ 740公里/小时)。因此,他们给这种“元祖”假发工艺起了个绰号——“里海怪物”。里海怪物的优势显而易见。它可以以飞机的速度运行,但它的负载与船的负载相同。因此,“里海怪物”地效飞行器常被称为“母舰杀手”和“突击登陆的理想工具”。里海怪物是苏联研制的地效飞行器,常被称为“里海怪物”
那么,为什么现在看不到成熟的军用或民用地效飞行器呢?首先,地效的优势反过来也是它的劣势:地效飞行器只能在接近地面或水面的高度飞行,一般在机翼长度的15%以内。地效飞行器在遇到障碍物时,无法硬抗,通常只能绕道而行,因此很容易因地面或水面出现异常凸起而引发灾难。
此外,早在1926年,美国国家航空航天局空咨询委员会(NACA)在其第265号报告中指出,地效飞行器的另一大技术难点是,一旦飞离地面或水面,地效飞行器就容易“骄傲自大”,即纵向稳定性相对较差。这个问题直到现在仍然困扰着RD人事。正是这两个缺点限制了地效飞行器应用的推广。目前,只有少数地效飞行器用于民用领域的市场。赛车的地面效应
一些赛车底部凸起形成文丘里管,形成低压区(红色部分)。
然而,地面效应的一个反向“双胞胎”长期以来一直被用于竞技领域。如上所述,飞机在接近地面时会很难下降。事实上,如果改变机翼的形状,它可能会被地面吸走。当机翼下部凸起时,飞机可能会被地球“吸走”。
这是因为,此时,在凸翼和地面之间形成了文丘里管。由于伯努利定律,此时机翼下方会出现一个低压区。这种现象也恰好被称为“地面效应”,在20世纪70年代被F1赛车俱乐部发现。
我们知道,车辆转弯时应该减速,否则很容易翻车。但如果车能在地上“吸”,转弯就没必要减速。一辆能吸在地上的车,在过弯时给对手留下微弱的抓地力,就能在弯道中轻松超车。
20世纪70年代,莲花F1车队开始使用赛车底部的文丘里管开发加速“皮肤”。从图中可以看到,莲花78赛车的底部是凸起的,与地面形成文丘里,形成低压区,从而被吸在地面上。后来莲花78的改良升级版79在1978年夺冠。其他车队看到后纷纷效仿,F1赛车一时间变成了地效装备大战。
然而,类似于飞机版的地面效应,赛车的地面效应也陷入了危机。当文丘里管的气密性被破坏时,“抓手”会突然松开,导致车辆失控。比如1982年的荷兰大奖赛,著名车手勒内·阿诺的赛车失控撞向轮胎壁,原因就是车辆底部的文丘里管出现故障。因此,1983年,FISA决定限制地面效应,规定每个车队的底盘必须是平的,不得使用“氪皮”来使赛车获得地面效应。莲花79和80底部的文丘里管形状
总而言之,这两种“接地气”的地面效果虽然是高端玩家玩的,但也能杀人。
(本文授权转载自“把科学带回家”微信官方账号,有删节)
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