飛機(jī)之所以能飛起來(lái)是因?yàn)樯Γa(chǎn)生的升力機(jī)制很復(fù)雜,不同條件下升力的成因有不同。康達(dá)效應(yīng)雖然不是飛機(jī)升力的主流和主力,但不少飛機(jī)應(yīng)用后能增加升力,那么,這是怎么做到的呢?
康達(dá)效應(yīng)
康達(dá)效應(yīng)又叫附壁作用或者柯恩達(dá)效應(yīng)。它講的是流體(水流或氣流)有離開(kāi)本來(lái)的流動(dòng)方向,隨著凸出的物體表面流動(dòng)的傾向。
如上面的動(dòng)圖中,水流本來(lái)垂直往下走,但因?yàn)橛幸粋(gè)帶有曲面的物體靠近后,水流被改變了方向。
康達(dá)效應(yīng)不少人在生活中肯定遇到過(guò),只是有的人沒(méi)有意識(shí)到而已。最常見(jiàn)的例子就是用湯勺來(lái)改變水流,如下圖:
圖中的例子很多人無(wú)意間會(huì)遇到,把勺子靠近水流后,水流改變了流動(dòng)方向,被勺子吸引了過(guò)來(lái)。
上面的實(shí)驗(yàn)中,如果加大水流,就會(huì)看到勺子往右靠近。水流越大,靠近的越多。
勺子往右靠近的程度跟水流大小成正比。
上面圖中演示的現(xiàn)象就是康達(dá)效應(yīng),可能說(shuō)附壁作用更能讓人理解一些。一些飛機(jī)通過(guò)康達(dá)效應(yīng)增加升力,這是怎么做到的呢?
其實(shí)不難理解。在上面的動(dòng)態(tài)演示中,勺子把水流的方向改變了,而我們知道,一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變,得需要一個(gè)力,垂直的水流改變了運(yùn)動(dòng)方向,這個(gè)力顯然是勺子給它的。根據(jù)牛頓第三定律,勺子對(duì)流體施加一個(gè)偏轉(zhuǎn)的力,那么流體也必定會(huì)施與物體一個(gè)反向偏轉(zhuǎn)的力。
如此,如果將發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼上方,發(fā)動(dòng)機(jī)的高速氣流的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),順著機(jī)翼的曲面吹出,根據(jù)康達(dá)效應(yīng),這會(huì)給機(jī)翼帶來(lái)一定的升力。正如下圖中的乒乓球一樣:
圖中乒乓球,用一根管子向乒乓球的右側(cè)吹氣,結(jié)果,乒乓球偏轉(zhuǎn)了氣體,氣體反過(guò)來(lái)也給乒乓球一個(gè)力,使其向右運(yùn)動(dòng)。
上面的乒乓球的例子,如果把乒乓球想象成機(jī)翼,管子吹出的氣體想象成是發(fā)動(dòng)機(jī)的吹氣,那么乒乓球的向右運(yùn)動(dòng)可以想象成機(jī)翼向上運(yùn)動(dòng),也就是產(chǎn)生了升力。
現(xiàn)在的問(wèn)題是,乒乓球這個(gè)曲面,為什么能偏轉(zhuǎn)氣流?具體原因如下圖:
左面的圓代表乒乓球,右邊帶箭頭的白線代表初始?xì)饬鳌馇蚝推古仪蛑g的斑點(diǎn)代表大氣分子。
顯然,在用管子對(duì)乒乓球的右側(cè)吹氣時(shí),氣流按理應(yīng)該是筆直的方向,這沒(méi)有錯(cuò),但是,由于高速氣流會(huì)有一個(gè)吸附作用,它會(huì)吸引并帶走乒乓球和高速氣流之間的氣體,從而在那個(gè)位置產(chǎn)生一個(gè)低壓區(qū)。
高速氣流帶走氣體示意圖。
低壓區(qū)的形成,必然會(huì)反過(guò)來(lái)影響氣流的運(yùn)動(dòng)方向。
結(jié)果就是,流體(氣流或者水流)如上圖這種運(yùn)動(dòng)軌跡。這就是康達(dá)效應(yīng)。
亨利·康達(dá)
康達(dá)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)者為亨利·康達(dá)(1886年6月7日- 1972年11月25日),他是一位羅馬尼亞發(fā)明家,空氣動(dòng)力學(xué)的開(kāi)拓者和建設(shè)者。
應(yīng)用的飛機(jī)
借助康達(dá)效應(yīng)增加升力的飛機(jī)有美國(guó)波音的YC-14、前蘇聯(lián)的安-72等等。
安東諾夫安-72是一款由前蘇聯(lián)安托諾夫設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)生產(chǎn)短距離起降的運(yùn)輸機(jī),北約代號(hào)為“礦工”。
安-72,1977年12月22日首飛,長(zhǎng)28.1米,翼展31.9米,高度8.7米。
安-72的發(fā)動(dòng)機(jī)氣流從機(jī)翼上方通過(guò),圖中可以看到,機(jī)翼上方有一條黑色的帶狀,那是被高溫氣流沖刷的痕跡,發(fā)動(dòng)機(jī)這種安置位置對(duì)機(jī)翼的材料要求很高。
安-72利用康達(dá)效應(yīng),也就是附壁作用,讓飛機(jī)產(chǎn)生了額外的升力,這可以改善飛機(jī)的短距離起降能力,它的起飛滑跑距離是620米,著陸滑跑距離為420米。安-72飛機(jī)的設(shè)計(jì)初衷是要在毫無(wú)準(zhǔn)備的地面上使用,比如沙地、草地等等。
圖為安-72的衍生型號(hào)安-74.
除了安-72,美國(guó)波音的YC-14也利用了康達(dá)效應(yīng)來(lái)增加升力。
圖片頂部為YC-14發(fā)動(dòng)機(jī)的安裝位置,與之對(duì)比的是YC-15。在YC-14中,如果沒(méi)有機(jī)翼的存在,從發(fā)動(dòng)機(jī)沖出的氣流將會(huì)直線向后運(yùn)動(dòng),但機(jī)翼的存在,改變了氣流的運(yùn)動(dòng)方向,機(jī)翼給氣流一個(gè)力,反之,氣流也給了氣流一個(gè)吸力,這就增加了飛機(jī)的升力。
圖為YC-14,發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在機(jī)翼上方,帶來(lái)的另一個(gè)好處是發(fā)動(dòng)機(jī)位置較高,可以在一定程度上減少發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)地面異物的吸入。
圖為YC-14,發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),產(chǎn)生強(qiáng)大的抽吸作用,在潮濕的天氣里,這種現(xiàn)象才容易見(jiàn)到。
上世紀(jì)70 年代,美國(guó)空軍認(rèn)為C-130運(yùn)輸機(jī)在速度、航程和載重上有不少局限,于是希望研制另一種運(yùn)輸機(jī)來(lái)取代,兩家公司參與了競(jìng)爭(zhēng),分別是波音和麥道。波音推出了YC-14,而麥道推出了YC-15。YC-14的試飛是成功的,只是由于其他原因,YC-14被取消了。
YC-14利用的康達(dá)效應(yīng),在飛機(jī)設(shè)計(jì)上也叫外吹襟翼增升技術(shù)。外吹,既可以往機(jī)翼上表面吹,也可以往機(jī)翼下表面吹。就像YC-15那樣:
YC-15利用外吹襟翼增升。
YC-15的機(jī)翼后端向下彎折,改變了發(fā)動(dòng)機(jī)氣流運(yùn)動(dòng)方向最終讓氣流斜向下運(yùn)動(dòng),帶來(lái)與YC-14相似的效果。機(jī)翼迫使氣流往下走,那么反過(guò)來(lái),氣流給了機(jī)翼一個(gè)向上的升力。
圖中所示叫做襟翼,它是可動(dòng)的,可以做向下偏轉(zhuǎn)和收回的動(dòng)作。
后來(lái)的C-17環(huán)球霸王III,采用了YC-15這種外吹襟翼增升技術(shù),起飛時(shí),c17的襟翼向下彎折,發(fā)動(dòng)機(jī)噴出高速氣流打在襟翼上,氣流改變了方向,向下走,這無(wú)疑會(huì)增加c-17的短距離起飛能力,它可以從1064米的短跑道上起飛。還可以從未經(jīng)改善的跑道上起降。
c-17向下彎折的襟翼
襟翼的作用除了在起飛時(shí)增加飛機(jī)的升力外,在飛機(jī)滑行降落時(shí),如果襟翼向下彎折,還能起到很好的阻力作用,這會(huì)降低飛機(jī)的滑跑距離。