你没发现飞机降落时都很奇怪吗?有人用这个物理规律造出了著名“怪物”飞机

大家平时在搭乘飞机的时候,有没有注意到在一个奇怪的现象,那就是飞机在降落前,会在跑道上“耽搁”很长时间,这是为什么呢?

实际上,这是一种著名的物理现象,并且还被用于制造被称为“怪物”的军用飞行器。今天我们就一起来了解一下每位乘客都曾遇到过,但很少有人了解的“地面效应”(ground effect)。

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地面效应:飞机在降落时难以着地,起飞时难以升空,常常要在跑道上“漂浮”很长时间。

美国海军学院(US Naval Institute)介绍,在起飞和降落时,飞机常常要在跑道上“漂浮”很长时间,这就是地面效应的作用。

那么,地面效应是什么原理呢?地面效应主要来自于阻力的减少和升力的增加。

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翼尖涡流

飞机在飞行时,遇到的一大阻力来源是机翼末端的翼尖涡流。根据美国国家航空航天局 (NASA),当飞机贴近地面或水面的时候,翼尖涡流遭到破坏,阻力就会减少。这种由翼尖涡流破坏带来的阻力降低被称为翼展主导的地面效应(span dominated ground effect)。

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接近地面时,翼尖涡流(图中圈圈)被破坏,因此阻力下降。图片来源:US Naval Institute

此外,飞机在离地面很近的地方飞行时会遇到一个气垫,这个气垫也被称为隐形的“上 帝之手”,它为飞机提供了一股强大的升力。这个贴近地面时获得的空气系技能增强也叫冲压效应(ram effect)。

早在20世纪20年代,飞行员们就已经通过一手的飞行经验了解地面效应了。1934年,美国国家航空咨询委员会(NACA)的一份技术报告“Technical Memorandum 771”就指出了地面效应对飞机起飞和降落的影响。

一些飞行员甚至故意借用地面效应战术省油低飞。比如,1930年德国巨型飞艇 Dornier DO-X 在飞跃大西洋时就利用了地面效应。而在二战时,当飞机没油或者引擎故障时,一些飞行员就会在海面低飞,借助地面效应让飞机飞得持久一些。

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德国巨型飞艇 Dornier DO-X。图片来源:wikipedia

这样加血加魔的诱人物理规律军方自然不愿意放过。20世纪60年代,前苏联和德国都在积极研发利用地面效应的飞行器——地效飞行器。

1967年,当前苏联研发的地效飞行器 Ekranoplan 的原型机出现在里海时,美国的情报部门大受震撼。

当美国中央情报局(CIA)的分析师看到 Ekranoplan 的卫星照片时,搞不清楚它到底是船还是飞机,因为它的吨位和船一样大,超过当时已知的任何飞机,但机翼又很小,而且还能高速飞行(最高速度为560–740千米/小时)。因此,他们给这种“元祖”地效飞行器取了个绰号——“里海怪物”(the Caspian Sea Monster)。

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由前苏联研发制造的伦级地效飞行器 Ekranoplan,编号MD-160,Ekranoplan 常被称为“里海怪物”。图片来源:wikipedia

里海怪物的优势显而易见,它可以以飞机的速度运行,载重却和轮船一样,因此“里海怪物”地效飞行器也常被称为“航空母舰的杀手锏”和“突击登陆的理想工具”。

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“里海怪物” Ekranoplan 在海面测试的影像。

那么,为什么我们现在没有看到成熟的军用或民用地效飞行器咧?

首先,地面效应的优势反过来说也是它的劣势:地效飞行器只能在贴近地面或水面的高度飞行,这个高度一般是在机翼长度的15%以内,在遇到障碍物时地效飞行器不能硬抗,通常只能绕过,很容易因为地面或水面的异常凸起而倒地不起。

此外,早在1926年美国国家航空咨询委员会(NACA)就在第265号报告中指出,地效飞行器飞行器的另一大技术难点在于,一旦飞离地面或水面,地效飞行器很容易莫名傲娇昂头,也就是纵向稳定性比较差(longitudinal instability)。这个问题直到现在还在困扰着研发人员们。

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里海怪物MD-160已经失修30年,现在搁浅在里海边上。

正是这两个劣势限制了地效飞行器的扩散。现在在民用领域只有极少数地效飞行器在市场上“登陆”。

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由新加坡 Wigetworks 公司研发的能搭载6-8名乘客的现代地效飞行器 Airfish 8原型机试飞。

不过,地面效应的一个反向“双生子”却早被用在了竞技领域。

刚才说到,飞机接近地面时会难以下降,实际上如果改变机翼的造型,却可能出现被地面吸住情况。

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一些赛车底部凸起,形成了文丘里管,制造了一个低压区(红色)。图片来源:steemkr

当机翼下部是凸起的形状,飞机就有可能被大地“吸住”。这是因为,这时凸面的机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。

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文丘里管的窄处气体流速更大,气压更低。图片来源:wikiwand

这个现象碰巧也叫“地面效应”(ground effect),并在20世纪70年代被F1赛车俱乐部发掘。

我们知道车辆在转弯时要降低速度,不然很容易翻车。不过,如果车子能“吸”在地面上,转弯时就不用减速了。能吸在地面上的赛车可以在过弯时撇下“抓地力”不强的对手,轻松实现弯道超车。

20世纪70年代,莲花F1车队就开始研发利用赛车下盘文丘里管的加速“皮肤”。从图片中可以看到,莲花78赛车底部是凸面,和地面形成了一个文丘里管,产生了一个低压区,从而被吸在地面上。

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莲花79和80底部的文丘里管造型。图片来源:formular1

后来莲花78的改良升级版79在1978年拿下了总冠军。其他车队看到后纷纷效仿,F1赛车一时间演变成了地面效应的装备战。

不过和飞机版的地面效应类似,赛车的地面效应也危机重重。当文丘里管的气密性被破坏,“抓地力”会突然松脱而导致车辆失控。比如在1982年的荷兰大奖赛时,名车手瑞内‧阿尔努(René Arnoux)的赛车失控摔向轮胎墙就是车辆底部的文丘里管失效引发的。

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1982年荷兰大奖赛上瑞内‧阿尔努(René Arnoux)的车祸。

因此在1983年,F1管理机构(FISA)决定限制地面效应,规定各车队的地盘必须要平,不得再使用“氪金皮肤”来使赛车得到地面效应。

总而言之,这两个“接地气”的地面效应虽然都被高端玩家玩出了花,但是也能要人命呐。

– 那是什么魔法飞机?

– 伏地魔。

本文来自微信公众号 “把科学带回家”(ID:steamforkids),作者:七君,36氪经授权发布。

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