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

中科院物理所 2021-10-21

The following article is from 把科学带回家 Author 万物

大家平时在搭乘飞机的时候，有没有注意到一个奇怪的现象，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）。

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。

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）。

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。

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）。

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”。

“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。

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”。

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。

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