你沒發現飛機降落時都很奇怪嗎?有人用這個物理規律造出了著名“怪物”飛機

2021年09月23日10:41

  大家平時在搭乘飛機的時候,有沒有注意到在一個奇怪的現象,那就是飛機在降落前,會在跑道上“耽擱”很長時間,這是為什麼呢?

  實際上,這是一種著名的物理現象,並且還被用於製造被稱為“怪物”的軍用飛行器。今天我們就一起來瞭解一下每位乘客都曾遇到過,但很少有人瞭解的“地面效應”(ground effect)。

地面效應:飛機在降落時難以著地,起飛時難以升空,常常要在跑道上“漂浮”很長時間
地面效應:飛機在降落時難以著地,起飛時難以升空,常常要在跑道上“漂浮”很長時間

  美國海軍學院(US Naval Institute)介紹,在起飛和降落時,飛機常常要在跑道上“漂浮”很長時間,這就是地面效應的作用。

  那麼,地面效應是什麼原理呢?地面效應主要來自於阻力的減少和升力的增加。

翼尖渦流
翼尖渦流

  飛機在飛行時,遇到的一大阻力來源是機翼末端的翼尖渦流。根據美國國家航空航天局 (NASA),當飛機貼近地面或水面的時候,翼尖渦流遭到破壞,阻力就會減少。這種由翼尖渦流破壞帶來的阻力降低被稱為翼展主導的地面效應(span dominated ground effect)。

 接近地面時,翼尖渦流(圖中圈圈)被破壞,因此阻力下降。圖片來源:US Naval Institute
 接近地面時,翼尖渦流(圖中圈圈)被破壞,因此阻力下降。圖片來源:US Naval Institute

  此外,飛機在離地面很近的地方飛行時會遇到一個氣墊,這個氣墊也被稱為隱形的“上帝之手”,它為飛機提供了一股強大的升力。這個貼近地面時獲得的空氣系技能增強也叫衝壓效應(ram effect)。

  早在20世紀20年代,飛行員們就已經通過一手的飛行經驗瞭解地面效應了。1934年,美國國家航空諮詢委員會(NACA)的一份技術報告“Technical Memorandum 771”就指出了地面效應對飛機起飛和降落的影響。

  一些飛行員甚至故意借用地面效應戰術省油低飛。比如,1930年德國巨型飛艇 Dornier DO-X 在飛躍大西洋時就利用了地面效應。而在二戰時,當飛機沒油或者引擎故障時,一些飛行員就會在海面低飛,借助地面效應讓飛機飛得持久一些。

德國巨型飛艇 Dornier DO-X。圖片來源:wikipedia
德國巨型飛艇 Dornier DO-X。圖片來源:wikipedia

  這樣加血加魔的誘人物理規律軍方自然不願意放過。20世紀60年代,前蘇聯和德國都在積極研發利用地面效應的飛行器——地效飛行器。

  1967年,當前蘇聯研發的地效飛行器 Ekranoplan 的原型機出現在裡海時,美國的情報部門大受震撼。

  當美國中央情報局(CIA)的分析師看到 Ekranoplan 的衛星照片時,搞不清楚它到底是船還是飛機,因為它的噸位和船一樣大,超過當時已知的任何飛機,但機翼又很小,而且還能高速飛行(最高速度為560–740千米/小時)。因此,他們給這種“元祖”地效飛行器取了個綽號——“裡海怪物”(the Caspian Sea Monster)。

由前蘇聯研發製造的倫級地效飛行器 Ekranoplan,編號MD-160,Ekranoplan 常被稱為“裡海怪物”。圖片來源:wikipedia
由前蘇聯研發製造的倫級地效飛行器 Ekranoplan,編號MD-160,Ekranoplan 常被稱為“裡海怪物”。圖片來源:wikipedia

  裡海怪物的優勢顯而易見,它可以以飛機的速度運行,載重卻和輪船一樣,因此“裡海怪物”地效飛行器也常被稱為“航空母艦的殺手鐧”和“突擊登陸的理想工具”。

“裡海怪物” Ekranoplan 在海面測試的影像
“裡海怪物” Ekranoplan 在海面測試的影像

  那麼,為什麼我們現在沒有看到成熟的軍用或民用地效飛行器咧?

  首先,地面效應的優勢反過來說也是它的劣勢:地效飛行器只能在貼近地面或水面的高度飛行,這個高度一般是在機翼長度的15%以內,在遇到障礙物時地效飛行器不能硬抗,通常只能繞過,很容易因為地面或水面的異常凸起而倒地不起。

  此外,早在1926年美國國家航空諮詢委員會(NACA)就在第265號報告中指出,地效飛行器飛行器的另一大技術難點在於,一旦飛離地面或水面,地效飛行器很容易莫名傲嬌昂頭,也就是縱向穩定性比較差(longitudinal instability)。這個問題直到現在還在困擾著研發人員們。

裡海怪物MD-160已經失修30年,現在擱淺在裡海邊上
裡海怪物MD-160已經失修30年,現在擱淺在裡海邊上

  正是這兩個劣勢限制了地效飛行器的擴散。現在在民用領域只有極少數地效飛行器在市場上“登陸”。

由新加坡 Wigetworks 公司研發的能搭載6-8名乘客的現代地效飛行器 Airfish 8原型機試飛
由新加坡 Wigetworks 公司研發的能搭載6-8名乘客的現代地效飛行器 Airfish 8原型機試飛

  不過,地面效應的一個反向“雙生子”卻早被用在了競技領域。

  剛才說到,飛機接近地面時會難以下降,實際上如果改變機翼的造型,卻可能出現被地面吸住情況。

一些賽車底部凸起,形成了文丘里管,製造了一個低壓區(紅色)。圖片來源:steemkr
一些賽車底部凸起,形成了文丘里管,製造了一個低壓區(紅色)。圖片來源:steemkr

  當機翼下部是凸起的形狀,飛機就有可能被大地“吸住”。這是因為,這時凸面的機翼和地面之間形成了文丘里管,由於伯努利定律,此時機翼下方會出現一個低壓區。

文丘里管的窄處氣體流速更大,氣壓更低。圖片來源:wikiwand
文丘里管的窄處氣體流速更大,氣壓更低。圖片來源:wikiwand

  這個現象碰巧也叫“地面效應”(ground effect),並在20世紀70年代被F1賽車俱樂部發掘。

  我們知道車輛在轉彎時要降低速度,不然很容易翻車。不過,如果車子能“吸”在地面上,轉彎時就不用減速了。能吸在地面上的賽車可以在過彎時撇下“抓地力”不強的對手,輕鬆實現彎道超車。

  20世紀70年代,蓮花F1車隊就開始研發利用賽車下盤文丘里管的加速“皮膚”。從圖片中可以看到,蓮花78賽車底部是凸面,和地面形成了一個文丘里管,產生了一個低壓區,從而被吸在地面上。

蓮花79和80底部的文丘里管造型。圖片來源:formular1
蓮花79和80底部的文丘里管造型。圖片來源:formular1

  後來蓮花78的改良升級版79在1978年拿下了總冠軍。其他車隊看到後紛紛效仿,F1賽車一時間演變成了地面效應的裝備戰。

  不過和飛機版的地面效應類似,賽車的地面效應也危機重重。當文丘里管的氣密性被破壞,“抓地力”會突然鬆脫而導致車輛失控。比如在1982年的荷蘭大獎賽時,名車手瑞內‧阿爾努(René Arnoux)的賽車失控摔向輪胎牆就是車輛底部的文丘里管失效引發的。

1982年荷蘭大獎賽上瑞內‧阿爾努(René Arnoux)的車禍。
1982年荷蘭大獎賽上瑞內‧阿爾努(René Arnoux)的車禍。

  因此在1983年,F1管理機構(FISA)決定限制地面效應,規定各車隊的地盤必須要平,不得再使用“氪金皮膚”來使賽車得到地面效應。

  總而言之,這兩個“接地氣”的地面效應雖然都被高端玩家玩出了花,但是也能要人命呐。

  - 那是什麼魔法飛機?

  - 伏地魔。

  來源:把科學帶回家

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