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神奇的康达效应:带你装X带你飞

2015-8-28 07:07| 发布者: 潜艇4809| 查看: 1936| 评论: 0

摘要:   康达效应虽然不是飞机升力的主流和主力,但不少飞机应用后能增加升力,那么,这是怎么做到的呢?

  飞机之所以能飞起来是因为升力,而产生的升力机制很复杂,不同条件下升力的成因有不同。

  康达效应虽然不是飞机升力的主流和主力,但不少飞机应用后能增加升力,那么,这是怎么做到的呢?

康达效应

  康达效应又叫附壁作用或者柯恩达效应。它讲的是流体(水流或气流)有离开本来的流动方向,随着凸出的物体表面流动的倾向。

神奇的康达效应:带你装X带你飞

  如上面的动图中,水流本来垂直往下走,但因为有一个带有曲面的物体靠近后,水流被改变了方向。

  康达效应不少人在生活中肯定遇到过,只是有的人没有意识到而已。最常见的例子就是用汤勺来改变水流,如下图:

神奇的康达效应:带你装X带你飞

  图中的例子很多人无意间会遇到,把勺子靠近水流后,水流改变了流动方向,被勺子吸引了过来。

  上面的实验中,如果加大水流,就会看到勺子往右靠近。水流越大,靠近的越多。

神奇的康达效应:带你装X带你飞

  勺子往右靠近的程度跟水流大小成正比。

  上面图中演示的现象就是康达效应,可能说附壁作用更能让人理解一些。

  一些飞机就是通过康达效应增加升力的,这是怎么做到的呢?

  其实不难理解。在上面的动态演示中,勺子把水流的方向改变了,而我们知道,一个物体的运动方向发生改变,得需要一个力,垂直的水流改变了运动方向,这个力显然是勺子给它的。根据牛顿第三定律,勺子对流体施加一个偏转的力,那么流体也必定会施与物体一个反向偏转的力。

  如此,如果将发动机安装在机翼上方,发动机的高速气流的运动方向发生偏转,顺着机翼的曲面吹出,根据康达效应,这会给机翼带来一定的升力。正如下图中的乒乓球一样:

神奇的康达效应:带你装X带你飞

  图中乒乓球,用一根管子向乒乓球的右侧吹气,结果,乒乓球偏转了气体,气体反过来也给乒乓球一个力,使其向右运动。

  上面的乒乓球的例子,如果把乒乓球想象成机翼,管子吹出的气体想象成是发动机的吹气,那么乒乓球的向右运动可以想象成机翼向上运动,也就是产生了升力。

  现在的问题是,乒乓球这个曲面,为什么能偏转气流?具体原因如下图:

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  左面的圆代表乒乓球,右边带箭头的白线代表初始气流。气球和乒乓球之间的斑点代表大气分子。

  显然,在用管子对乒乓球的右侧吹气时,气流按理应该是笔直的方向,这没有错,但是,由于高速气流会有一个吸附作用,它会吸引并带走乒乓球和高速气流之间的气体,从而在那个位置产生一个低压区。

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  高速气流带走气体示意图。

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  低压区的形成,必然会反过来影响气流的运动方向。

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  结果就是,流体(气流或者水流)如上图这种运动轨迹。这就是康达效应。

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亨利·康达

  康达效应的发现者为亨利·康达(1886年6月7日- 1972年11月25日),他是一位罗马尼亚发明家,空气动力学的开拓者和建设者。

应用的飞机

  借助康达效应增加升力的飞机有美国波音的YC-14、前苏联的安-72等等。

  安东诺夫安-72是一款由前苏联安托诺夫设计局设计生产短距离起降的运输机,北约代号为“矿工”。

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

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  安-72的发动机气流从机翼上方通过,图中可以看到,机翼上方有一条黑色的带状,那是被高温气流冲刷的痕迹,发动机这种安置位置对机翼的材料要求很高。

  安-72利用康达效应,也就是附壁作用,让飞机产生了额外的升力,这可以改善飞机的短距离起降能力,它的起飞滑跑距离是620米,着陆滑跑距离为420米。安-72飞机的设计初衷是要在毫无准备的地面上使用,比如沙地、草地等等。

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图为安-72的衍生型号安-74

  除了安-72,美国波音的YC-14也利用了康达效应来增加升力。

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  图片顶部为YC-14发动机的安装位置,与之对比的是YC-15。在YC-14中,如果没有机翼的存在,从发动机冲出的气流将会直线向后运动,但机翼的存在,改变了气流的运动方向,机翼给气流一个力,反之,气流也给了气流一个吸力,这就增加了飞机的升力。

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  图为YC-14,发动机安装在机翼上方,带来的另一个好处是发动机位置较高,可以在一定程度上减少发动机对地面异物的吸入。

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  图为YC-14,发动机运转时,产生强大的抽吸作用,在潮湿的天气里,这种现象才容易见到。

  上世纪70年代,美国空军认为C-130运输机在速度、航程和载重上有不少局限,于是希望研制另一种运输机来取代,两家公司参与了竞争,分别是波音和麦道。波音推出了YC-14,而麦道推出了YC-15。YC-14的试飞是成功的,只是由于其他原因,YC-14被取消了。

  YC-14利用的康达效应,在飞机设计上也叫外吹襟翼增升技术。外吹,既可以往机翼上表面吹,也可以往机翼下表面吹。就像YC-15那样:

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YC-15利用外吹襟翼增升

  YC-15的机翼后端向下弯折,改变了发动机气流运动方向最终让气流斜向下运动,带来与YC-14相似的效果。机翼迫使气流往下走,那么反过来,气流给了机翼一个向上的升力。

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  图中所示叫做襟翼,它是可动的,可以做向下偏转和收回的动作。

  后来的C-17环球霸王III,采用了YC-15这种外吹襟翼增升技术,起飞时,C17的襟翼向下弯折,发动机喷出高速气流打在襟翼上,气流改变了方向,向下走,这无疑会增加C-17的短距离起飞能力,它可以从1064米的短跑道上起飞。还可以从未经改善的跑道上起降。

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C-17向下弯折的襟翼

  襟翼的作用除了在起飞时增加飞机的升力外,在飞机滑行降落时,如果襟翼向下弯折,还能起到很好的阻力作用,这会降低飞机的滑跑距离。

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