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的“怪物”飞机。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。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)。
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。
地⾯效应主要来自于阻力的减少和升力的增加。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。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。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。
早在20世纪20年代,飞行员们就已经通过一手飞行经验了解地⾯效应了。1934年,美国国家航空咨询委员会的一份技术报告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。
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。
因此,他们给这种“元祖”地效飞行器取了个绰号——“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,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”。
然而,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,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。这个问题直到现在还在困扰着研发人员们。
地⾯效应的一个反向“双生子”却早被用在了竞技领域。一些赛车底部凸起,形成了文丘里管,制造了一个低压区。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。这个现象碰巧也叫“地⾯效应”,并在20世纪70年代被F1赛车俱乐部发掘。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”。
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。