地面效应
地面效应（Wing-In-Ground effect, WIG）亦称为地面效应（Ground effect）或翼面效应（Wing-In-Surface-Effect, WISE），是一种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流体力学效应：当运动的飞行器距离地面（或水面）很近时，整个飞行器体的上下压力差增大，升力会陡然增加。前苏联就是利用这种效应，研制多款翼地效应飞行器并进行实际的测试飞行。
这种现像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。
此种现像主要使用在两个地方：
- 赛车利用特殊设计的车底来产生下向力，以增加轮胎的正向力，进而提升抓地力表现。
- 地面效应机（Wing-In-Ground Vehicle, Ground Effect Vehicle GEV）是一种利用地面效应所产生的强大上扬力来飞行的特殊航空器。
地面效应产生的原因
[编辑]地面效应产生的原因在物理学上还有争议，一般认为地面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。
地面效应对飞机的影响
[编辑]因为在同样的速度和推力下，近地飞行产生地面效应时机体会有更大的上扬力。因此地面效应能有效地提升近地飞行时飞机的燃料效率。不过因为一般飞机只有在起飞或降落时会这么接近地面，只有在这些时候能从地面效应取得好处。
不过，地面效应对于机师来说亦需要谨慎应对。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”)。如果不懂应对措施，飞机就会在减速时突然急速提升高度，此时由于飞机的速度已经非常接近失速速度，极易真的演变成失速的状态，此时，即使只是数十尺的距地高度，还是可能造成严重甚至致命的意外。一般而言，如果跑道够长，飞行员就能够采用慢慢减速来对应地面效应，另一个方法则是放弃直接降落，提升空速取回飞行的上扬力，绕圈回来再次降落。
地面效应对汽车的影响
[编辑]在赛车上，汽车工程师并不想要上扬力而是需要下压力。利用气流所产生的下压力，让赛车在转弯时的能保持较高的车速。而要提升下压力，就需要使汽车和地面间的气压减少。利用伯努利定律，减少压力的方法有两大类，其中一类是利用特殊的车底设计强制进入车底的气流因为分流或流道逐渐扩大等因素，被迫降低气压，而产生车辆上下侧的压差；另一种则是直接利用风扇强行加速流经车底的空气，空气流速越高压力就越低。一级方程式赛车曾禁止赛车设计利用地面效应来提升操控性，主要原因在于地面效应需保持车底与周遭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地，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。一级方程式赛车于2022年恢复使用地面效应的设计。
海豚跳效应
[编辑]“海豚跳”是一个赛车术语，通常用于描述地面效应赛车中遇到的特定故障。由于地面效应导致赛车产生共振，使赛车快速上下跳动。
在科林·查普曼制造的的莲花78和莲花79赛车证明地面效应是一级方程式的未来之前，一级方程式赛车只依靠车身所产生下压力。因此在这一点上，对车底的空气动力学仍然所知甚少。最热衷于追求地面效应的团队往往是资金更匮乏的英国车队，他们几乎没有钱用于风洞测试，并且倾向于简单地模仿莲花车队，这使海豚跳效应更加复杂。[1]
由于侧箱翼型上的压力中心会根据汽车的速度、姿态和离地间隙移动，这些力与赛车的悬架系统相互作用，赛车开始产生共振，特别是在低速时，赛车会前后摇摆，有时相当猛烈。有些车手甚至被震动导致不适。[2]这种摇摆的震动，就像一只海豚在高速游泳时跳出大海，因此给了这种现象它的名字。这些特性，再加上坚硬的悬架，导致赛车的行驶非常不舒服。从1980年代初到2022年，一级方程式禁止了地面效应，但和其他赛车继续遭受海豚跳的影响，直到设计师能够更好地了解地面效应才能最大限度地减少问题。[3]在2022年一级方程式季前测试在巴塞罗那举行的第一回合测试中，乔治·罗素表示严重的海豚跳问题可能会导致安全问题。[4]
参见
[编辑]注脚
[编辑]- ^ Motorsport memories: the ground-effect era. classicandsportscar.com. [2022-03-11]. （原始内容存档于2022-03-11）.
- ^ Cooper, Sam. Leclerc says porpoising makes him feel a ‘bit sick’. planetf1.com. [2022-03-11]. （原始内容存档于2022-03-22）.
- ^ Elleray, Peter. Mulsanne's Corner: Peter Elleray on the Bentley LMGTP. Mulsanne's Corner. [2017-10-21]. （原始内容存档于2015-02-09）.
- ^ Mitchell, Scott. F1 2022 car porpoising 'safety concern' at its' worst. The Race. The Race Media. [2022-02-24]. （原始内容存档于2022-03-20）.
参考文献
[编辑]- Dole, Charles Edward. Flight Theory and Aerodynamics. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2000. ISBN 978-0-471-37006-2.
- Gleim, Irving. Pilot Flight Maneuvers. Ottawa, Ontario, Canada: Aviation Publications, 1982. ISBN 0-917539-00-1.
- Pilot's Encyclopedia of Aeronautical Knowledge(Federal Aviation Administration). New York: Skyhorse Publishing, 2007. ISBN 1-60239-034-7.
外部链接
[编辑]- Engineering explanation. SE-Technology ('dead' site)
- Ask Us - Ground Effect and WIG Vehicles（页面存档备份，存于互联网档案馆）. Aerospaceweb.org
- M. Halloran and S. O'Meara. Wing in Ground Effect Craft Review (PDF-9 MB). The Sir Lawrence Wackett Centre for Aerospace Design Technology, Royal Melbourne Institute of Technology. February 1999 –通过Abbott Aerospace.[永久失效链接] DSTO-GD-0201. Sponsored by DSTO Aeronautical and Maritime Research Laboratory, Australian Government. (WebArchive)
- Wing in Ground Effect and helicopters. dynamicflight.com
- Plane Can Fly Inches Over Water Tongji University Scientists in Shanghai announce design of a new vehicle, inventorspot.com, 14 July 2007
- Ground-effect gliding. hanggliding.org
- Numerical Analysis of Airfoil in Ground Proximity Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 45, 2, pp. 425-436, Warsaw 2007. ptmts.org. PDF-715 KB