地面效应：飞机降落时的物理规律

七君

飞机的地面效应

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”一段时间

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”。

据美国海军学院介绍，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。根据美国国家航空航天局介绍，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。

接近地面时，翼尖涡流（图中圈圈）被破坏，因此阻力下降

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。

德国巨型飞艇 Dornier DO-X

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发生故障时，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。

这样“加血加魔”的诱人物理规律军方自然不愿意放過。20世纪60年代，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”。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”。

由苏联研发制造的地效飞行器 Ekranoplan，常被称为“里海怪物”

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呢？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出现灾难。

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。正是这两个劣势限制了地效飞行器应用的扩散，现在在民用领域只有极少数地效飞行器在市场上使用。

赛车的地面效应

一些赛车底部凸起，形成了文丘里管，制造了一个低压区（红色部分）

不过，地面效应的一个反向“双生子”却早被用在了竞技领域。上面说到，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的情况。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赛车俱乐部发掘出来。

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。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，著名车手瑞内·阿尔努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。因此在1983年，F1管理机构（FISA）决定限制地面效应，规定各车队的底盘必须要平，不得再使用“氪金皮肤”来使赛车得到地面效应。

莲花79和80底部的文丘里管造型

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。

（本文经授权转载自“把科学带回家”公众号，有删节）