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:
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。
图一
飞机在大气空间飞行时,机翼所产生的升浮力的第一种原因,就是由“拟涵道”效应形成的。其原理是:飞机翼下与地球表面之间所构成的“拟涵道效应空间”中的大气,在地球表面硬性阻尼的作用下,使得“拟涵道”空间里的大气处于受限状态,这个区间内的大气受限于地球表面和机翼之间,从而导致这个区间内的大气垂直密度增加。飞机在飞行中,在飞机翼下迎流攻角的冲压作用下,出现了压缩聚合气流,从而使气流压强随之增大,并向地球表面传导。在地球表面硬性阻尼和地球引力的综合作用之下,使这个区间内的大气,其气体分子形成密度积累状态,这种情况就使整个区间的大气,产生了垂直的气相阻尼效应的抬升现象。这种现象使飞机翼下产生的流体压强力,与地球表面抬升的气相阻尼力构成受力面重合,并形成相互反作用力。在这里,可以用牛顿第三定律解释。当地球表面抬升的气相阻尼面所形成的力,在飞机翼下产生的流体压强力向地球表面传导时,瞬间就把飞机翼下冲压大气产生的流体压强力回弹到飞机翼下,从而对飞机机翼产生了压强升浮力。对压强力的回弹力越强,飞机翼下的升浮力也就越大。
以上所描述的就是“拟涵道效应”。也就是说飞机在飞行中与地球表面构成一个“拟涵道”,在这个“拟涵道”中的大气是受限被压缩的,并依靠着地球表面的硬性阻尼作用,从而使受压缩空气形成一个垂直向上的力。当这股地面阻尼力,遇到飞机机翼冲压大气后所产生的、并向地面传导过来的压强力时,就把这个压强力反弹回飞机的机翼下表面,从而形成了飞机之所以能飞起来的第一种升浮力(如图二所示)。
图二
三、谷相附面层流效应
飞机在大气空间飞行时,从起飞爬升到稳定平飞,无论飞行中处于怎样的姿态,飞机翼下迎流攻角面,始终是呈现出冲压大气的状态,从而对大气产生压缩聚敛的作用。在这种情况下,会在迎流攻角面形成高密度的气流层,通常我们把这个高密度气流层称之为附面层。
迄今为止我们对附面层的理解,是紧贴冲压大气面的一层湍流气体,其厚薄可能有差别,先冲压到气体的飞机机翼前缘的部分可能会厚一点,之后应该是平滑连接到机翼尾缘逐渐变薄,但是实际情况却不完全是这样的。
首先我们要知道,飞机翼下这个附面层是起着导压作用的。当机翼下翼面的迎流攻角面,对大气产生压缩作用时,所生成的附面层,是由于机翼迎流攻角面与大气摩擦,从而形成阻尼减速的湍流附面层。随着飞机不断地向前飞行时,迎流攻角面的附面层逐渐增厚,形成一个附着于下翼面的高压气流聚集区。在机翼前缘的这个高压气流聚集区不断堆积增厚以后,聚集区压力越来越高,使得后续再来的压力较小的冲压气流受阻,迫使这部分后续气流,只能沿着已形成的气相聚集区(附面层)底部的边界,向机翼后方运动。当后续气流接触到飞机下翼面时,由于受飞机下翼面硬阻尼的影响之后,又形成附面层,最终使附面层布满整个飞机下翼面。
在机翼下翼面附面层形成之后,附面层的气压高于后续来流的压力,因此所有的后续来流,都得绕过高压区,沿着附面层的底部进行运动。那么按此原理形成的附面层,并不是厚薄均匀的,而是形成了一个曲线峰谷形状的附面层。也就是飞机下翼面前缘部分最先接触冲压气流,并形成了湍流附面层,而且这个附面层越堆越厚,最后形成一个峰谷曲线形状,笔者把这个形状的附面层称之为“谷相”附面层,沿着这个“谷相”附面层底部边界流动的气流,我们称之为“谷相流”(如图三所示)。
图三
由“谷相流”运动产生的流体压力,通过“谷相”附面层传导给机翼,形成的抬升作用,就使飞机机翼产生升浮力。整个这个过程就是“谷相附面层效应”,或也可称为“导压谷相效应”。
综上我们可知,飞机机翼产生升浮力的第二个原因是:机翼迎流攻角面,在冲压大气受到压缩聚敛的作用下,迎流攻角面与来流大气摩擦产生阻尼效应,从而在迎流攻角面的区域形成高密度阻尼附面层的气相。随着后续冲压气流的不断介入,由摩擦阻尼形成了湍流附面层,造成后续来流减速并不断堆积增厚,在机翼下形成一个下沉谷状附面层。笔者根据其形状的呈相如峰谷,称之为“谷相附面层”。
由于这样的高密度导压“谷相”附面层的形成,那么飞机机翼迎流攻角与高密度导压谷相附面层就在机翼下形成了“气相增角现象”,相当于使飞机迎流攻角冲压气流的角度增大了,从而形成了大迎角气相阻尼面。并把冲压大气的阻尼动能转换成抬升力,同时由气相阻尼角后的高密度导压谷相附面层导向飞机翼下,使机翼在大迎角气相阻尼抬升力作用下,形成流场气相的阻尼升浮力(如图四所示)。我们把这种由谷相附面层迫使冲压气流绕过谷相附面层后转变流向,从而使气流攻角增大的角度称之为“谷相攻角”。
图四
从以上谷相附面层流效应我们可知,飞机飞行中机翼的升浮力,实际上和机翼的翼形结构关系不大,在飞机采用半水滴形剖面机翼,飞机翻过来倒飞时也能正常飞行,就足于说明这个问题了。而且,也不像用伯努利原理所解释的那样,气流是流经机翼上表面路程长,流经机翼下表面的路程短,恰恰相反,由于存在谷相附面层的缘故,气流实际流经下翼面的路程比流经上翼面更长。虽然飞机能飞和机翼翼面的构造关系不大,但和攻角的关系很大。实际上中国古代就发明了风筝,并没有什么翼形,就一个平板而已,但是通过牵绳控制了与气流形成合理的攻角,结果轻而易举地就飞了起来。风筝能够飞起来,只符合了两个效应原理,一个是拟涵道效应原理,再一个就是谷相附面层流效应原理。这两种效应原理综合起来,就是“涵谷效应”原理。
那么为什么机翼上翼面压强会小呢?这是因为通过机翼上翼面的冲压气流,由于天空上面没有地球表面的硬性阻尼界面存在,整个上翼面的空间是不受限制的,自然也就形不成“拟涵道”效应空间,也产生不了高密度导压谷相附面层流效应,其大气密度及大气压强均低于翼下的效应大气。当然,机翼横向剖面为半水滴状结构还是起到了一定的作用,但却与伯努利原理的解释无关。其具体原因如下:
当机翼横截面设计为半水滴状结构时,机翼上部呈收敛形凸起面对大气的阻尼面积是一个迎流的弧面。当大气流经弧面后,随机翼面形成了类似虹吸效应力的气流,笔者把这种现象称之为“低阻虹压”效应。对此,在埃德·里克斯的这篇文章中提到了,麻省理工学院流体力学教授马克·德雷拉(Mark Drele)指出“如果这些流体团瞬间偏离机翼上表面,它与机翼之间的空间就会形成真空,这个真空会把流体团吸下去,直到真空基本被填满”。而这就是笔者所说的“低阻虹压”效应。德雷拉接着解释到:这些被真空吸下的流体团“直到它们的流动的方向再次与机翼正切,这就迫使流体团沿着机翼形状移动的物理机制。局部存在一个轻微的真空环境,就能使流体团沿着弯曲的机翼表面流动”。笔者认为,德雷拉的这个解释是正确的。
在这种情况下,对翼面产生的流体压强力和翼面对气流产生的阻尼摩擦力都比较小。因此,上翼面基本上不会出现抵消下翼面升浮力的压强力;也不会形成附面层摩擦力,影响不了下翼面产生的升浮力。所以现代飞机的设计,很少再是按半水滴状剖面的翼型设计的了,更多的是采用对称翼型设计,只要机翼形成一定的攻角,上翼面就会出现“低阻虹压”效应。虽然机翼上下翼面的附面层都是湍流,但是压力是不同的。在“拟涵道效应”和“谷相附面层流效应”作用下的下翼面湍流呈正压,而在“低阻虹压”效应作用下的上翼面湍流呈负压。所以上下翼面的压差构成了升浮力(如图五所示)。
图五
此外,笔者还需要回答一个问题,为什么经过上翼面的气流比经过下翼面的气流先到机翼后缘。当流经机翼上下翼面的气流在流速相等时,由于流经机翼下翼面的气流,因为要绕过高压的谷相附面层,形成了谷相流,其流程路径呈较大曲线状态,流程沿曲线加长了。而流经机翼上面的气流,由于机翼上面是开放性空间,没有附加的效应,基本上是沿机翼形面运动,流程路径相对机翼下面较短。所以,流经机翼上下翼面的气流,在其流速相等时,则机翼上翼面的气流,要快于机翼下翼面的气流通过机翼。
四、结论:飞机产生升浮力的原因是“涵谷效应”
飞机之所以能飞,是由于“拟涵道效应”和“谷相附面层流效应”这两种效应共同作用后,形成靠地球表面一侧的飞机翼面压力,高于靠外太空一侧的飞机翼面压力,由两个飞机翼面压力差形成了飞机的升浮力。以上两种效应可以合并称之为“涵谷效应”。所以最后的结论是:飞机之所以能飞,是因为涵谷效应的作用形成的。
埃德·里克斯在他发表的文章中提到,美国力学家道格·麦克莱恩(Doug,Mclean)曾指出:在一个被称为压力场的大区域内,机翼会对气压产生影响。当产生升力时,机翼上方总是会成为低压的扩散气团,机翼下方通常形成高压的扩散气团。当这些气团作用于机翼时,就构成了对机翼产生升力的压差。他可以说已经发现了飞机飞行的一些客观状况,可惜他也是由于思维惯性,未把地球表面的作用因素考虑进来,最终还是没有发现“涵谷效应”的作用,就差那么临门一脚,最后仍与发现飞机为什么能飞的原理擦肩而过。
(作者史瑞华为中国航空学会会员,林左鸣为中国航空学会理事长)