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撰文 七君
大家平時在搭乘飛機的時候，有沒有注意到一個奇怪的現象，那就是飛機在降落前，會在跑道上「耽擱」很長時間，這是為什麼呢？
實際上，這是一種著名的物理現象，並且還被用於製造被稱為「怪物」的軍用飛行器。今天我們就一起來了解一下每位乘客都曾遇到過，但很少有人了解的「地面效應」（ground effect）。
地面效應：飛機在降落時難以著地，起飛時難以升空，常常要在跑道上「漂浮」很長時間。
美國海軍學院（US Naval Institute）介紹，在起飛和降落時，飛機常常要在跑道上「漂浮」很長時間，這就是地面效應的作用。
那麼，地面效應是什麼原理呢？地面效應主要來自於阻力的減少和升力的增加。
翼尖渦流
飛機在飛行時，遇到的一大阻力來源是機翼末端的翼尖渦流。根據美國國家航空航天局 (NASA)，當飛機貼近地面或水面的時候，翼尖渦流遭到破壞，阻力就會減少。這種由翼尖渦流破壞帶來的阻力降低被稱為翼展主導的地面效應（span dominated ground effect）。
接近地面時，翼尖渦流（圖中圈圈）被破壞，因此阻力下降。圖片來源：US Naval Institute
此外，飛機在離地面很近的地方飛行時會遇到一個氣墊，這個氣墊也被稱為隱形的「上帝之手」，它為飛機提供了一股強大的升力。這個貼近地面時獲得的空氣系技能增強也叫衝壓效應（ram effect）。
早在20世紀20年代，飛行員們就已經通過一手的飛行經驗了解地面效應了。1934年，美國國家航空諮詢委員會（NACA）的一份技術報告「Technical Memorandum 771」就指出了地面效應對飛機起飛和降落的影響。
一些飛行員甚至故意借用地面效應戰術省油低飛。比如，1930年德國巨型飛艇 Dornier DO-X 在飛躍大西洋時就利用了地面效應。而在二戰時，當飛機沒油或者引擎故障時，一些飛行員就會在海面低飛，藉助地面效應讓飛機飛得持久一些。
德國巨型飛艇 Dornier DO-X。圖片來源：wikipedia
這樣加血加魔的誘人物理規律軍方自然不願意放過。20世紀60年代，前蘇聯和德國都在積極研發利用地面效應的飛行器——地效飛行器。
1967年，當前蘇聯研發的地效飛行器 Ekranoplan 的原型機出現在裏海時，美國的情報部門大受震撼。
當美國中央情報局（CIA）的分析師看到 Ekranoplan 的衛星照片時，搞不清楚它到底是船還是飛機，因為它的噸位和船一樣大，超過當時已知的任何飛機，但機翼又很小，而且還能高速飛行（最高速度為560–740千米/小時）。因此，他們給這種「元祖」地效飛行器取了個綽號——「裏海怪物」（the Caspian Sea Monster）。
由前蘇聯研發製造的倫級地效飛行器 Ekranoplan，編號MD-160，Ekranoplan 常被稱為「裏海怪物」。圖片來源：wikipedia
裏海怪物的優勢顯而易見，它可以以飛機的速度運行，載重卻和輪船一樣，因此「裏海怪物」地效飛行器也常被稱為「航空母艦的殺手鐧」和「突擊登陸的理想工具」。
「裏海怪物」 Ekranoplan 在海面測試的影像。
那麼，為什麼我們現在沒有看到成熟的軍用或民用地效飛行器咧？
首先，地面效應的優勢反過來說也是它的劣勢：地效飛行器只能在貼近地面或水面的高度飛行，這個高度一般是在機翼長度的15%以內，在遇到障礙物時地效飛行器不能硬抗，通常只能繞過，很容易因為地面或水面的異常凸起而倒地不起。
此外，早在1926年美國國家航空諮詢委員會（NACA）就在第265號報告中指出，地效飛行器飛行器的另一大技術難點在於，一旦飛離地面或水面，地效飛行器很容易莫名傲嬌昂頭，也就是縱向穩定性比較差（longitudinal instability）。這個問題直到現在還在困擾著研發人員們。
裏海怪物MD-160已經失修30年，現在擱淺在裏海邊上。
正是這兩個劣勢限制了地效飛行器的擴散。現在在民用領域只有極少數地效飛行器在市場上「登陸」。
由新加坡 Wigetworks 公司研發的能搭載6-8名乘客的現代地效飛行器 Airfish 8原型機試飛。
不過，地面效應的一個反向「雙生子」卻早被用在了競技領域。
剛才說到，飛機接近地面時會難以下降，實際上如果改變機翼的造型，卻可能出現被地面吸住情況。
一些賽車底部凸起，形成了文丘里管，製造了一個低壓區（紅色）。圖片來源：steemkr
當機翼下部是凸起的形狀，飛機就有可能被大地「吸住」。這是因為，這時凸面的機翼和地面之間形成了文丘里管，由於伯努利定律，此時機翼下方會出現一個低壓區。
文丘里管的窄處氣體流速更大，氣壓更低。圖片來源：wikiwand
這個現象碰巧也叫「地面效應」(ground effect)，並在20世紀70年代被F1賽車俱樂部發掘。
我們知道車輛在轉彎時要降低速度，不然很容易翻車。不過，如果車子能「吸」在地面上，轉彎時就不用減速了。能吸在地面上的賽車可以在過彎時撇下「抓地力」不強的對手，輕鬆實現彎道超車。
20世紀70年代，蓮花F1車隊就開始研發利用賽車下盤文丘里管的加速「皮膚」。從圖片中可以看到，蓮花78賽車底部是凸面，和地面形成了一個文丘里管，產生了一個低壓區，從而被吸在地面上。
蓮花79和80底部的文丘里管造型。圖片來源：formular1
後來蓮花78的改良升級版79在1978年拿下了總冠軍。其他車隊看到後紛紛效仿，F1賽車一時間演變成了地面效應的裝備戰。
不過和飛機版的地面效應類似，賽車的地面效應也危機重重。當文丘里管的氣密性被破壞，「抓地力」會突然鬆脫而導致車輛失控。比如在1982年的荷蘭大獎賽時，名車手瑞內‧阿爾努(René Arnoux)的賽車失控摔向輪胎牆就是車輛底部的文丘里管失效引發的。
1982年荷蘭大獎賽上瑞內‧阿爾努(René Arnoux)的車禍。
因此在1983年，F1管理機構（FISA）決定限制地面效應，規定各車隊的底盤必須要平，不得再使用「氪金皮膚」來使賽車得到地面效應。
總而言之，這兩個「接地氣」的地面效應雖然都被高端玩家玩出了花，但是也能要人命吶。
- 那是什麼魔法飛機？
- 伏地魔。
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封面來源：pxfuel
參考資料：
https://docs.qq.com/doc/DVG55ekFLYXpZQmNN
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