地面效應：飛機降落時的物理規(guī)律

七君

飛機的地面效應

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”一段時間

大家平時在搭乘飛機的時候，有沒有注意到一個奇怪的現(xiàn)象，那就是飛機在降落前，會在跑道上“耽擱”很長時間，這是為什么呢？實際上，這是一種著名的物理現(xiàn)象，并且還被用于制造被稱為“怪物”的軍用飛行器。今天我們就一起來了解一下每位乘客都曾遇到過，但很少有人了解的“地面效應”。

據(jù)美國海軍學院介紹，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。那么地面效應是什么原理呢？地面效應主要來自阻力的減少和升力的增加。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(jù)美國國家航空航天局介紹，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。

接近地面時，翼尖渦流（圖中圈圈）被破壞，因此阻力下降

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沖壓效應。

早在20世紀20年代，飛行員們就已經(jīng)通過一手的飛行經(jīng)驗了解地面效應了。1934年，美國國家航空咨詢委員會（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。

德國巨型飛艇 Dornier DO-X

一些飛行員甚至故意借用地面效應戰(zhàn)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(zhàn)時，當飛機沒油或者引擎發(fā)生故障時，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。

這樣“加血加魔”的誘人物理規(guī)律軍方自然不愿意放過。20世紀60年代，蘇聯(lián)和德國都在積極研發(fā)利用地面效應的飛行器——地效飛行器。1967年，當蘇聯(lián)研發(fā)的地效飛行器 Ekranoplan 的原型機出現(xiàn)在里海時，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(wèi)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——“里海怪物”。里海怪物的優(yōu)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“里海怪物”地效飛行器也常被稱為“航空母艦的殺手锏”和“突擊登陸的理想工具”。

由蘇聯(lián)研發(fā)制造的地效飛行器 Ekranoplan，常被稱為“里海怪物”

那么，為什么我們現(xiàn)在沒有看到成熟的軍用或民用地效飛行器呢？首先，地面效應的優(yōu)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(nèi)，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出現(xiàn)災難。

此外，早在1926年美國國家航空咨詢委員會（NACA）就在第265號報告中指出，地效飛行器的另一大技術難點在于，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(wěn)定性比較差，這個問題直到現(xiàn)在還在困擾著研發(fā)人員。正是這兩個劣勢限制了地效飛行器應用的擴散，現(xiàn)在在民用領域只有極少數(shù)地效飛行器在市場上使用。

賽車的地面效應

一些賽車底部凸起，形成了文丘里管，制造了一個低壓區(qū)（紅色部分）

不過，地面效應的一個反向“雙生子”卻早被用在了競技領域。上面說到，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(xiàn)被地面吸住的情況。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，由于伯努利定律，此時機翼下方會出現(xiàn)一個低壓區(qū)。這個現(xiàn)象碰巧也叫“地面效應”，并在20世紀70年代被F1賽車俱樂部發(fā)掘出來。

我們知道，車輛在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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，輕松實現(xiàn)彎道超車。

20世紀70年代，蓮花F1車隊就開始研發(fā)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(chǎn)生了一個低壓區(qū)，從而被吸在地面上。后來蓮花78的改良升級版79在1978年拿下了總冠軍。其他車隊看到后紛紛效仿，F(xiàn)1賽車一時間演變成了地面效應的裝備戰(zhàn)。

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”會突然松脫而導致車輛失控。比如在1982年的荷蘭大獎賽時，著名車手瑞內(nèi)·阿爾努的賽車失控摔向輪胎墻，就是車輛底部的文丘里管失效引發(fā)的。因此在1983年，F(xiàn)1管理機構（FISA）決定限制地面效應，規(guī)定各車隊的底盤必須要平，不得再使用“氪金皮膚”來使賽車得到地面效應。

蓮花79和80底部的文丘里管造型

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。

（本文經(jīng)授權轉(zhuǎn)載自“把科學帶回家”公眾號，有刪節(jié)）