[科普中国]-地面效应

概述

这种现象在飞机或是赛车产生的气流被地面或水面影响时就会发生。

此种现象主要使用在两个地方：

1.赛车利用特殊设计的车底来产生下向力来增加贴地性。如此一来车轮的摩擦力就会提高从而令赛车更有效率。

2.翼地效应机（Wing-In-Ground Vehicle, Ground Effect Vehicle GEV）是一种利用翼地效应所产生的强大上扬力来飞行的特殊航空机。

世界上最大的地面效应飞机是前苏联的“里海怪物”。
二战结束后，前苏联加快了地效飞机的研制，一直保持着领先地位。1966年10月18日，“里海怪物”首飞成功。随着试验的深入，它的尺寸和重量不断增长。最后，它的机长为106.1米，翼展为40米。“里海怪物”航程7500千米，最大速度为800千米/小时，能够运载850名士兵。上世纪70年代初，当西方的侦察卫星从苏联里海上空飞过时，发现了这一地效飞机，并给它起名“里海怪物”。但苏联却长期否认这一“怪物”的存在。直到苏联解体后，“里海怪物”的真实面目才被部分披露出来2。

原因翼地效应产生的原因在物理学上还有争议，一般认为翼地效应是因为气流在机翼和地面/水面成为了一个高压气垫而产生了更大的上扬力。但是风洞实验却同时得出数据，显示高压气垫虽然存在，但是地面/水面主要作用为扰乱翼尖涡流。在没有翼尖涡流的情况下，机翼的攻角能变得更为接近理论水平，从而使飞机更有效率。

影响翼地效应对航空机的影响

因为在同样的速度和推力下，近地飞行产生翼地效应时机体会有更大的上扬力。因此翼地效应能有效地提升近地飞行时飞机的燃料效率。航空界普遍认为地面效应是因为地面或水面阻止了翼尖涡流的下洗，即相对气流的来向（等同于攻角）更接近于理论水平，从而减小了诱导阻力，对飞行品性来说是有利的。但因为一般飞机只有在起飞或降落时会这么近地，因此亦大部分飞机都只有这些时候能从翼地效应取得好处。特别是在飞机起飞过程中，由于地面效应，会感觉飞机更容易从地面上拉起来。

对安全的影响

地面效应对飞行安全也有影响。首先，地面效应的作用范围（垂直高度）等同于飞机的翼展长度。起飞时虽然感觉“飞机更容易从地面上拉起来”，但此时飞机处于低速大迎角的范围，非常接近失速，当飞机爬升超过了地面效应的作用范围以后，翼尖涡流的下洗不再被阻挡，造成了相对气流的偏移，结果是迎角进一步增大，更接近于失速。此时飞机若未能加速到更安全的速度，将有可能进入失速，而此时的离地高将难以使飞机从失速中改出。

因此地面效应对于机师来说需要谨慎处理。在降落时，飞机会在最后几尺因为获得地面效应的上扬力而突然上升（此情况被称为"balloon"）。如果不懂处理，飞机就会在减速时突然急速提升高度，其降落速度非常接近失速速度，所以极易变成失速的状态。而即使只是数十尺亦可能造成严重甚至致命的意外。如果跑道够长的话，那么就能够采用慢慢减速来对应翼地效应产生的“balloon”，另一个方法则是放弃直接降落，加速取回飞行的上扬力，绕圈回来再次降落。

翼地效应对汽车的影响

对赛车设计的影响

在赛车上，设计师并不想要上扬力而是需要下向力。利用气流所产生的下向力，赛车在转弯时的速度就能提升。（1970年代开始经常使用在汽车上面的扰流板等并非地面效应使用）而要提升下向力，就需要使汽车和地面间的空气压力减少。而减少压力的方法，利用伯努利定律我们可以知道，就是要使空气加速。方法有二，首先是利用车底设计来使空气导入窄小的车底管道，第二就是利用风扇强行加速空气。

现今，许多赛事的正式规则都禁止赛车设计利用地面效应来提升操控性，包括一级方程式赛车。主要原因在于地面效应需保持车底与周围环境间的相对气密才有可能产生，但赛事过程中状况多变，万一车辆因为遭碰撞损坏或遇到路面颠簸，气密周界突然失效的瞬间，下压力会突然锐减而导致车辆失控，风险极高。

应用地面效应有翼运载工具的高度控制装置

一种利用产生在机身，机翼和水面之间的地面效应在水面上方很低的高度飞行的地面效应有翼运载工具的高度控制装置，包括在航行中始终与水面接触的传感器，它将水面和机身之间的距离数据传至运载工具的操纵系统；机械地连接传感器和运载工具和连接装置；通过操纵系统控制的升降舵按照传感器发出的距离数据工作，使运载工具在保持水面和机身之间距离恒定的条件下飞行。传感器可设在水面上的漂浮体内，而机械连接装置可以是伸缩臂或可反卷金属线。

地效飞行器

一、概念解析

地效飞行器是介于飞机、舰船和气垫船之间的一种新型高速飞行器。与飞机不同的是，地效飞行器主要在地效区飞行，也就是贴近地面、水面飞行，而飞机主要在地效区以外飞行；与气垫船不同的是，气垫船靠自身动力产生气垫，而地效飞行器靠地面效应产生气垫。

当运动的飞行器贴近地面或水面飞行时，气流流过机翼后会向后下方流动，这时地面或者水面将产生一股反作用力，当它在距离水面等于或小于1/2翼展的高度上飞行时，整个机体的上下压力差增大，升力会陡然增加，阻力减小，阻挡飞行器机翼下坠。这种可以使飞行器诱导阻力减小，同时能获得比空中飞行更高升阻比的物理现象，这就是地面效应，并由此开辟了地效飞行技术。

二、优点介绍

首先是速度快。由于它在水上飞行，它的航速是普通舰艇的10倍甚至10倍以上，是气垫船的3倍以上。

其次是安全性高。地效飞行器在距离水面1~6米的高度低空飞行，一旦出现紧急情况，可随时在水面降落。在军事上它可以利用对方探测雷达的盲区，对方很难发现，躲避对方舰载和防空火力的攻击。

再者，地效飞行器具有较好的抗浪性，小型机可抗浪1米左右，中型机可抗3米左右的浪，大型机对5米的浪也无需过虑。在陆地上，它可以轻易飞越沙漠、沼泽、雪地，必要时还可飞到几十米乃至上千米的高度。

最后，地效飞行器设计与制造费用均比飞机低，售价约为同级飞机的50%~60%，比购买一架飞机或一艘军舰的效费比低得多。另外，地效飞行器利用襟翼，能自如地倒退、悬停，以及垂直起降，在军事上运用地效飞行器进行登陆、机降和反潜作战，都将是十分有效的手段。

20世纪六七十年代，美、苏、法、德、英、日等国都研制过地效飞机。其中，前苏联的地效飞机最为成功，60年代研制的“母鹞”式地效飞机最大速度可达550千米/小时，离地高7~15米，可载人800~900名。地效飞机的应用前景十分广阔，既可用于反潜反舰、扫雷布雷、军用运输等军事领域，也可用于货物运输、污染监测、资源调查等民用领域3。

三、成功案例

我国第一艘12座海洋地效翼船在南海海域进行各项飞行测试后，宣布试飞取得成功。该项技术填补了我国在地效翼船领域的空白。

这艘由海南英格地效翼船制造有限公司制造生产的CYG－11型地效翼船，飞行高度1－4米，飞行速度达210公里/小时，核载人数12人，载重量为1200千克，百公里耗油28升。