關於水翼船那些事兒(1)

前言：距離上一篇航行原理掃盲貼已經快一年，和預期的一樣，全球範圍內對水翼船的熱度持續上升。始終覺得，水翼船最激動人心的部分來自於背後的設計及各類技術腦洞，觀賞性反而是其次。而看懂水翼船，著實是一個需要智商和思考的技術活，所以這次就繼續吹吹牛逼，分幾次聊聊水翼船～溫馨提醒：閱讀本文之前建議再複習一下「一次搞懂帆船航行原理」，否則可能越看越懵逼...

500多年前的文藝復興時期，達.芬奇同志絕對是一個充滿了各種奇思異想的創業青年，俗稱博物學家。憑著一手秒殺全場的繪畫技能，設計了一系列概念性產品。要是放在如今這個時代，差不多就是那種天天拿著PPT，喊著「我要造車！」「我要上火星！」「目標3年IPO！」的創業者。這哥們兒的概念性產品之一，就是下面的這張設計圖——撲翼機（Ornithopter）

這個撲翼機，其實就是一個基於仿生學設計的飛行器，人得像鳥一樣不斷撲騰翅膀才能飛起來。但很可惜，這款產品最終胎死腹中，並沒有量產。直到300年後，有一個小夥兒活捉了N種鳥類用於科學研究。在分析了各種鳥的體重，肌肉力量和飛行能力之後，得出了下面這張圖，撲翼機的失敗原因才算是浮出水面～

結論是，靠人類的肌肉力量，怎麼撲騰都不可能飛起來。從此以後，人類的飛行方式徹底告別仿生學，走入了一個新時代——流體力學。若非得用幾個字形容水翼（Hydrofoil），那就是——低配版機翼。

什麼是水翼？

不少人覺得，只有可以騰空飛起來的那些水翼船才配備水翼。其實，這是一個不嚴謹的說法。只要是作用於水中的類機翼部件（比如說穩向板Daggerboard，龍骨Keel，舵Rudder），其實都可以算作水翼（Hydrofoil）。

水翼工作原理

在之前的文章中我們已經說過，水翼和帆的原理都是如出一轍的，無非就是攻角，升力，和阻力這三大要素之間的互相協調。

而在今天的這一部分，我們將更深入得討論如下幾個問題。

1.為什麼大風天時用小號的水翼？

2.水翼為何都是前緣比較圓，後緣比較尖？

3.攻角過大為何會失速？

第一個問題對於大部分讀者來說應該都是相當簡單的，依舊是參考下面這個升力公式。如果先忽略實驗得出的升力係數CL，那麼影響升力的，只剩下流體的速度，密度以及水翼受力面積這三大元素。我們曾經解釋過，小小的龍骨可以抵消帆面產生的橫移，是因為水的密度比空氣大，所以要產生同等的升力，龍骨受力面積遠小於帆的面積。同理，大風天用小號的水翼也是如此。假設大風天時，船速為20節，小風天時的船速為10節，由於CL和水的密度不變，那麼根據公式就可以計算出，如果要產生同樣的升力，大風天所需的水翼受力面積僅為小風天的四分之一。這也是為什麼，雙體水翼船比賽時，總會有各種大小的水翼。而帆船在大風天時的縮帆和換小帆，也是同樣的道理。

至於第二個問題， 觀察過帆船穩向板和舵的水手一定會注意到這個現象，前緣一般比較厚且圓潤，後緣則是薄如刀片。在流體力學中，有一個叫做康達效應（Coanda Effect）的現象。無論是水，空氣還是其他流體，只要當流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦時（也可以說是流體粘性），只要曲率不大，流體會順著物體表面流動。洗碗時水龍頭的水順著碗面彎曲，空調的風向調節，附著在帆面上的空氣，以及附著在水翼上的水流都是康達效應的體現。

其實前圓後尖的流線型在大自然中並不罕見，雨滴，鯨魚，都是如此。另一方面，鑑於流體力學是一門標準的實驗學科，實驗室民工們在大量的實驗後發現，只要是在亞音速狀態下，前圓後尖的翼型可以在各種攻角下都獲得相對高的L/D比值（升力/阻力比）。

上圖就是仿真軟體裡的一個例子，下圖分別是攻角分別為（1度，2度，5度和30度時的升力，阻力及L/D）。可以發現，除了在大攻角30度時L/D的比例降為2，氣流線明顯分離之外，剩下三種情況下的L/D差異並不大，且升力不斷增加，氣流線也非常完美得執行了康達同志派給它的任務，貼合緊密。

既然如此，那就讓我們開一下腦洞，試想一下，如果兩頭尖的翼型又會是什麼結果？

通過仿真測試（攻角也為1度，2度，5度和30度）可以發現，相對於前圓後尖的翼型，兩頭尖的翼型表現其實並不賴，甚至在小攻角時的L/D比例還更好（也就是說，同等升力下，阻力更小）。但其缺點也同樣明顯，在攻角調整時，相對於前圓後尖的翼型，兩頭尖翼型的L/D比例對角度十分敏感，一不小心就會失速。尤其是在高速水翼船航行的過程中，突然間的失速可能會造成船毀人亡的慘劇。同樣的，這也是普通民航飛機也會選擇前圓後尖翼型的原因。（這裡插一句，個人認為，如果水翼前緣做成刀片一樣尖，撞到水下不明物體以後的破損機率比較大應該也是原因之一）

那有沒有例外呢？這個當然可以有，超音速戰鬥機就是一個例子。對飛機來說，如果發動機的推力足夠強勁，那偶爾的失速是可以依靠增加推力來彌補的，這類飛機就是典型的有錢任性家底厚。而就是那麼湊巧，配備了矢量發動機的第五代戰鬥機就是這種任性的人生贏家。由於超音速巡航的過程中，機翼並不需要大幅度的調整攻角，所以兩頭尖的翼型對於攻角敏感的缺點可以忽略不計了，而其阻力小的優點反而還能幫助飛機飛得更快。感受一下，超音速飛機的翼型長下面這樣，1，2是較早期飛機的翼型，3，4是早期的亞音速飛機翼型，5，6則為現代超音速飛機翼型～

下面，再來看看第三個問題，攻角過大時，為什麼會有失速的產生？如果只是為了得瑟，輕描淡寫得扔出「庫塔-茹科夫斯基定理」這幾個字應該就能鎮住全場。但正如牛頓大叔喜歡用力來分析物體的運動狀態一樣，為了更直觀得理解失速問題，我們需要引入一個叫做環量的概念。除此以外，我們還需要知道一個叫做啟動渦的東西。

先說啟動渦～其實在開帆船的過程中，啟動渦隨處可見，比如說下圖調整舵的過程中舵片尾部產生的啟動渦。當舵片向左轉時，水流會在舵尾形成一個逆時針的啟動渦；當舵片向右轉時，水流則會相應的形成一個順時針的啟動渦。

說完了啟動渦，接下來靈魂畫手就要繼續登場了。如果假設康達效應在任何曲率下都能沿著物體表面彎曲，那麼理想狀態下，水翼周圍的氣流線應該是下圖這樣的。水翼的前緣和後緣都會有一個明顯的大轉彎，尤其是水翼後緣，幾乎是一個U型迴旋。所以呢，這種情況顯然不會發生，水翼後緣想繞但是繞不過去的這股氣流，同樣也會形成一個啟動渦。

在下圖中，啟動渦以及用紅色逆時針箭頭標註。形成啟動渦以後，更神奇的事情就發生了。由於兩條藍色氣流線中間是一個密閉空間，所以如果要讓這個空間保持穩定，那就需要一個與啟動渦反方向的渦與之平衡。而這個反向渦，就是圖中標註的順時針綠線，我們把它叫做繞翼環量。這個繞翼環量，就是產生升力的原因。

既然如此，如果不斷增加水翼的攻角，繞翼環量是否會一直存在呢？答案是否定的。根據上面提過的康達效應，受流體粘度的限制，水流也只能小角度偏轉。當角度過大時，情況就會變成下圖這樣。水翼上方的氣流線會與水翼表面明顯分離，分離區域更是大到可以直接形成一個反向渦。於是，繞翼環量大大減小甚至可以忽略不計，升力不夠就成了一個必然的結果。這種情況，就是我們提了又提的——失速。

當然，解釋失速可以有很多種方式。最後留個小問題，只觀察失速時的氣流線曲率是否也能解釋失速問題呢？歡迎留言～答案請見「關於水翼船那些事兒（2）」。

下一篇，我們會聊聊不同類型水翼的優缺點以及各類水翼船的構造，散會～