近地飞行的奇妙气动之谜：探秘飞行器地面效应

很早之前就有学者留意到，鸟类在近水或者近地长距离滑翔时，极少扇动翅膀的现象，这有没有合理的物理解释呢？科学研究表明飞行器贴近地面飞行时，地面会对物体产生空气动力干扰，影响到飞行器的流动特性。在飞机问世后不久，飞行员的直观感受是在飞机接地之前，飞机突然会有不再继续下降接地反而平飘的趋势，这种著名的现象被称之为地面效应，亦称为翼地效应或翼面效应。

图 1 地面效应现象

地面效应产生的主要原因在与当飞行器离地面很近时，机翼垂直方向上的下洗气流被着陆面所阻滞，导致飞机的上洗气流、下洗气流以及翼尖涡旋发生变化，通常会引起升力增加、诱导阻力减小，这种效应使得飞行器更容易起飞或者维持低空飞行，飞行器在接近地面时相同的推力可以获得更高的速度，飞行器在地面效应下额外产生的低头力矩会使飞行更加稳定，操纵时响应更为敏感。

图 2 地面效应对飞行器性能的影响

需要注意的是，飞行器地面效应通常只在飞行器离地面一定高度（通常为翼展的1到2倍）以内才会显著影响飞行性能。超过这个高度后，地面效应逐渐减弱并趋于消失。有研究发现，当飞行的高度等于机翼翼展时，诱导阻力降低1．4％，飞行高度为四分之一翼展时，诱导阻力降低23．5％，飞行高度等于机翼翼展十分之一时，诱导阻力降低47．6％，在起飞和着陆触地的一瞬间地面效应是最显著的。

图 3 离地高度对地面效应的影响

地面效应有没有什么妙用呢？地面效应被应用于不同类型的航空器设计中。例如，地效翼通常具有大翼展、小翼弦、前缘后掠、后缘上翘等特点，以最大限度地利用地面效应，并在低空飞行时保持稳定。此外，一些水上飞机和无人机也利用地面效应来提高悬停稳定性和操作性能。“里海怪物”是原苏联阿列克谢耶夫中央设计局利用地面效应设计的地效飞行器。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”。“里海怪物”航程7500千米，能够以800千米的时速将850名士兵运送到世界各地，而且不会被任何雷达发现。里海怪物地效飞行器攻击火力强大，是前苏联“暴力美学”的最佳体现之一。

图 4 地效飞行器－里海怪物

地面效应是一种令人着迷的气动现象，它在近地飞行阶段对飞行器的性能产生了重要影响。通过增加升力和降低气动阻力，地面效应使得飞行器在地面附近更容易起飞、稳定飞行，并提高操纵响应。地效飞行器作为一种新型的交通工具，在安全性、经济性、快速性、舒适性等方面有其独到的优势，使得地效飞行器在民用和军事上都具有广阔的市场和应用前景。地面效应的研究和应用将为航空领域提供更安全、高效的飞行技术，推动航空工程的不断发展。让我们一同探索近地飞行的奇妙之谜吧！（文／李冠东 图／李冠东）