飛機發動機,裝在機翼上面會怎樣?

2021-01-20 百家號

飛機之所以能飛起來是因為升力,而產生的升力機制很複雜,不同條件下升力的成因有不同。康達效應雖然不是飛機升力的主流和主力,但不少飛機應用後能增加升力,那麼,這是怎麼做到的呢?

康達效應

康達效應又叫附壁作用或者柯恩達效應。它講的是流體(水流或氣流)有離開本來的流動方向,隨著凸出的物體表面流動的傾向。

如上面的動圖中,水流本來垂直往下走,但因為有一個帶有曲面的物體靠近後,水流被改變了方向。

康達效應不少人在生活中肯定遇到過,只是有的人沒有意識到而已。最常見的例子就是用湯勺來改變水流,如下圖:

圖中的例子很多人無意間會遇到,把勺子靠近水流後,水流改變了流動方向,被勺子吸引了過來。

上面的實驗中,如果加大水流,就會看到勺子往右靠近。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。

上面圖中演示的現象就是康達效應,可能說附壁作用更能讓人理解一些。一些飛機通過康達效應增加升力,這是怎麼做到的呢?

其實不難理解。在上面的動態演示中,勺子把水流的方向改變了,而我們知道,一個物體的運動方向發生改變,得需要一個力,垂直的水流改變了運動方向,這個力顯然是勺子給它的。根據牛頓第三定律,勺子對流體施加一個偏轉的力,那麼流體也必定會施與物體一個反向偏轉的力。

如此,如果將發動機安裝在機翼上方,發動機的高速氣流的運動方向發生偏轉,順著機翼的曲面吹出,根據康達效應,這會給機翼帶來一定的升力。正如下圖中的桌球一樣:

圖中桌球,用一根管子向桌球的右側吹氣,結果,桌球偏轉了氣體,氣體反過來也給桌球一個力,使其向右運動。

上面的桌球的例子,如果把桌球想像成機翼,管子吹出的氣體想像成是發動機的吹氣,那麼桌球的向右運動可以想像成機翼向上運動,也就是產生了升力。

現在的問題是,桌球這個曲面,為什麼能偏轉氣流?具體原因如下圖:

左面的圓代表桌球,右邊帶箭頭的白線代表初始氣流。氣球和桌球之間的斑點代表大氣分子。

顯然,在用管子對桌球的右側吹氣時,氣流按理應該是筆直的方向,這沒有錯,但是,由於高速氣流會有一個吸附作用,它會吸引並帶走桌球和高速氣流之間的氣體,從而在那個位置產生一個低壓區。

高速氣流帶走氣體示意圖。

低壓區的形成,必然會反過來影響氣流的運動方向。

結果就是,流體(氣流或者水流)如上圖這種運動軌跡。這就是康達效應。

康達效應的發現者為亨利·康達(1886年6月7日- 1972年11月25日),他是一位羅馬尼亞發明家,空氣動力學的開拓者和建設者。

應用的飛機

藉助康達效應增加升力的飛機有美國波音的YC-14、前蘇聯的安-72等等。

安東諾夫安-72是一款由前蘇聯安託諾夫設計局設計生產短距離起降的運輸機,北約代號為「礦工」。

安-72,1977年12月22日首飛,長28.1米,翼展31.9米,高度8.7米。

安-72的發動機氣流從機翼上方通過,圖中可以看到,機翼上方有一條黑色的帶狀,那是被高溫氣流衝刷的痕跡,發動機這種安置位置對機翼的材料要求很高。

安-72利用康達效應,也就是附壁作用,讓飛機產生了額外的升力,這可以改善飛機的短距離起降能力,它的起飛滑跑距離是620米,著陸滑跑距離為420米。安-72飛機的設計初衷是要在毫無準備的地面上使用,比如沙地、草地等等。

除了安-72,美國波音的YC-14也利用了康達效應來增加升力。

圖片頂部為YC-14發動機的安裝位置,與之對比的是YC-15。在YC-14中,如果沒有機翼的存在,從發動機衝出的氣流將會直線向後運動,但機翼的存在,改變了氣流的運動方向,機翼給氣流一個力,反之,氣流也給了氣流一個吸力,這就增加了飛機的升力。

圖為YC-14,發動機安裝在機翼上方,帶來的另一個好處是發動機位置較高,可以在一定程度上減少發動機對地面異物的吸入。

圖為YC-14,發動機運轉時,產生強大的抽吸作用,在潮溼的天氣裡,這種現象才容易見到。

上世紀70 年代,美國空軍認為C-130運輸機在速度、航程和載重上有不少局限,於是希望研製另一種運輸機來取代,兩家公司參與了競爭,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,只是由於其他原因,YC-14被取消了。

YC-14利用的康達效應,在飛機設計上也叫外吹襟翼增升技術。外吹,既可以往機翼上表面吹,也可以往機翼下表面吹。就像YC-15那樣:

YC-15的機翼後端向下彎折,改變了發動機氣流運動方向最終讓氣流斜向下運動,帶來與YC-14相似的效果。機翼迫使氣流往下走,那麼反過來,氣流給了機翼一個向上的升力。

圖中所示叫做襟翼,它是可動的,可以做向下偏轉和收回的動作。

後來的C-17環球霸王III,採用了YC-15這種外吹襟翼增升技術,起飛時,c17的襟翼向下彎折,發動機噴出高速氣流打在襟翼上,氣流改變了方向,向下走,這無疑會增加c-17的短距離起飛能力,它可以從1064米的短跑道上起飛。還可以從未經改善的跑道上起降。

襟翼的作用除了在起飛時增加飛機的升力外,在飛機滑行降落時,如果襟翼向下彎折,還能起到很好的阻力作用,這會降低飛機的滑跑距離。

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