漫话“涵谷效应”与机翼升浮力的关系


一、引言

2020年3月,一篇原发表于《环球科学》公众号的文章:《飞机为什么能飞起来?直到今天,科学家仍然没有答案》(埃德·里克斯撰稿、白晨媛翻译、吴子牛审校),在有关中文网络媒体上迅速流传开来。飞机为什么能飞起来仍是“未解之谜”,这个消息,可谓是一石激起千层浪。文章开篇就说到:“一个难以置信的事实是:尽管莱特兄弟在100多年前就将飞机开上了天空,但直到今天,人们仍然不清楚,飞机是如何飞起来的。”对于航空人而言,这个结论有点刺耳,但不幸的是:这是一个事实。

从事航空事业的人,几乎从踏入航空大门第一天起,就认识了近三百年前的丹尼尔·伯努利这位瑞士老先生,因为他在探究流体力学原理时指出:流体的压力会随着速度增加而减少,反之亦然。他的这个结论后来被称之为伯努利原理,并且在航空事业发展以后,被用来指导飞机的机翼产生升浮力的设计。因此,早期飞机的机翼,都设计成横剖面呈半水滴型的几何结构。根据埃德·里克斯的这篇文章介绍,爱因斯坦对此设计也是做出贡献的。

此后,我们所有学航空的人都被这个理论体系告知:气流到达机翼前缘后分开的气流,一部分经弧形的上翼面而到达机翼后缘,一部分经平直的下翼面到达机翼后缘。根据伯努利原理,流体的机械能守恒。因此得出气流在通过机翼上下表面时,同时到达机翼后缘交汇,从而实现能量守恒。按这个原理,则流经路径更长的上翼面,气流速度需要加快,才能和下翼面的气流同时到达机翼后缘,因此气流在经过机翼上翼面时,速度加快、压力下降;气流在流经机翼下翼面时,则保持原有速度,流速比上翼面慢。则根据伯努利原理,下翼面的压力比上翼面的压力高,从而使上下翼面出现压力差,机翼因此产生了升浮力。可是这样的理论随着航空事业的发展,出现了无法解释的矛盾,最典型的莫过于飞机在翻过来倒飞时,这时弧形的上翼面向下,而平直的上翼面向上,但机翼仍然产生了升力,这就颠覆了伯努利原理的论断。后来,很多高速飞机的设计,都采用了机翼顶部和底部曲率相当的对称翼型的设计。

很显然,这种情况使得伯努利原理用来解释飞机产生升浮力就非常牵强,甚至是错误的。之后对飞机为什么能飞的理论研究,还是有所发展的,但却始终未能破解飞机为什么能飞之谜。关于这一方面的情况,埃德·里克斯(Ed Regis)的这篇文章作了非常系统的介绍,本文就不作赘述了。

那么机翼能产生升浮力的真正原因是什么呢?本文把笔者的研究结果作如下分享:

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二、拟涵道效应

人类在对飞机为什么会产生升浮力的问题做研究时,陷入了一个思维误区,即始终只考虑大气和飞机之间的关系对飞机产生升浮力的影响。一百多年来,人类从未改变过这样的思维定势,并陷于其中难于自拔,从而使飞机为什么能飞的问题成为难解之谜。

实际上,大气层是地球的大气层,飞机与大气之间的关系自然要研究,但是飞机与地球的关系就更重要,飞机就是要摆脱地心引力才能飞起来。所以地球的因素,是飞机为什么能飞行的问题中,最为重要的基本要素这一,地球与飞机之间的关系不能不考虑。只有把地球这个条件引入飞机升力体系中之后,使飞机为什么能飞行的关键条件完善了,我们才能破解这个谜。

当飞机在地球大气层中飞行过程中,无论飞机在大气空间处于怎样的高度飞行,第一个要考虑的关键要素是地球对飞机的作用。众所周知,地球引力是阻碍飞机飞上天空的,飞机要飞上天空,必须有能量克服地球引力的影响。但是地球对飞机的影响除了地球引力之外,还有一个重要的因素,即地球表面与大气中飞机的关系作用是怎样的?而这是一直被人们所忽视的,迄今为止没有人考虑过这个因素。实际情况是,无论飞机飞得多高,其飞机翼下与地面之间始终存在着一个类似涵道的形式。这种类似涵道的形式,我们不妨给它一个专门的名称:即“拟涵道”。“拟涵道”这样一种类似涵道的相对空间位置,是一种受限状态的空间,这个空间一旦形成,就会形成一个“拟涵道效应空间”(如图一所示),并具有自己独特的效应。

来源

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http://www.kepu.gov.cn/www/article/dtxw/24b7745b18de4f0f8fcaef036cb074c5

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