地面效應(物理學名詞)

地面效應（Ground effect）亦稱為翼地效應 （Wing-In-Ground effect，WIG）或翼面效應（Wing-In-Surface-Effect，WISE），運動物體貼近地面運行時，地面對物體產生的空氣動力干擾。當飛行器接近地面飛行或運行時，地面影響到空氣繞飛行器的流動特性。地面效應可產生於低空飛行的飛機或直升機，汽車和汽艇也存在這種效應。

它是一種使飛行器誘導阻力減小，同時能獲得比空中飛行更高升阻比的流體力學效應：當運動的飛行器掉到距地面（或水面）很近時，整個飛行器體的上下壓力差增大，升力會陡然增加。前蘇聯和中國是利用這種效應研製翼地效應飛行器最先進的國家。

基本介紹

• 中文名：地面效應
• 外文名：Ground effect
• 別稱：翼地效應
• 外文名：Wing-In-Ground effect
• 套用領域：軍事領域和民用領域

概述

這種現象在飛機或是賽車產生的氣流被地面或水面影響時就會發生。

此種現象主要使用在兩個地方：

1.賽車利用特殊設計的車底來產生下向力來增加貼地性。如此一來車輪的摩擦力就會提高從而令賽車更有效率。

2.翼地效應機（Wing-In-Ground Vehicle, Ground Effect Vehicle GEV）是一種利用翼地效應所產生的強大上揚力來飛行的特殊航空機。

世界上最大的地面效應飛機是前蘇聯的“裏海怪物”。
二戰結束後，前蘇聯加快了地效飛機的研製，一直保持著領先地位。1966年10月18日，“裏海怪物”首飛成功。隨著試驗的深入，它的尺寸和重量不斷增長。最後，它的機長為106.1米，翼展為40米。“裏海怪物”航程7500千米，最大速度為800千米/小時，能夠運載850名士兵。上世紀70年代初，當西方的偵察衛星從蘇聯裏海上空飛過時，發現了這一地效飛機，並給它起名“裏海怪物”。但蘇聯卻長期否認這一“怪物”的存在。直到蘇聯解體後，“裏海怪物”的真實面目才被部分披露出來。

原因

翼地效應產生的原因在物理學上還有爭議，一般認為翼地效應是因為氣流在機翼和地面/水面成為了一個高壓氣墊而產生了更大的上揚力。但是風洞實驗卻同時得出數據，顯示高壓氣墊雖然存在，但是地面/水面主要作用為擾亂翼尖渦流。在沒有翼尖渦流的情況下，機翼的攻角能變得更為接近理論水平，從而使飛機更有效率。

影響

翼地效應對航空機的影響

因為在同樣的速度和推力下，近地飛行產生翼地效應時機體會有更大的上揚力。因此翼地效應能有效地提升近地飛行時飛機的燃料效率。航空界普遍認為地面效應是因為地面或水面阻止了翼尖渦流的下洗，即相對氣流的來向（等同於攻角）更接近於理論水平，從而減小了誘導阻力，對飛行品性來說是有利的。但因為一般飛機只有在起飛或降落時會這么近地，因此亦大部分飛機都只有這些時候能從翼地效應取得好處。特別是在飛機起飛過程中，由於地面效應，會感覺飛機更容易從地面上拉起來。

地面效應

對安全的影響

地面效應對飛行安全也有影響。首先，地面效應的作用範圍（垂直高度）等同於飛機的翼展長度。起飛時雖然感覺“飛機更容易從地面上拉起來”，但此時飛機處於低速大迎角的範圍，非常接近失速，當飛機爬升超過了地面效應的作用範圍以後，翼尖渦流的下洗不再被阻擋，造成了相對氣流的偏移，結果是迎角進一步增大，更接近於失速。此時飛機若未能加速到更安全的速度，將有可能進入失速，而此時的離地高將難以使飛機從失速中改出。

因此地面效應對於機師來說需要謹慎處理。在降落時，飛機會在最後幾尺因為獲得地面效應的上揚力而突然上升（此情況被稱為"balloon"）。如果不懂處理，飛機就會在減速時突然急速提升高度，其降落速度非常接近失速速度，所以極易變成失速的狀態。而即使只是數十尺亦可能造成嚴重甚至致命的意外。如果跑道夠長的話，那么就能夠採用慢慢減速來對應翼地效應產生的“balloon”，另一個方法則是放棄直接降落，加速取回飛行的上揚力，繞圈回來再次降落。

翼地效應對汽車的影響

對賽車設計的影響

在賽車上，設計師並不想要上揚力而是需要下向力。利用氣流所產生的下向力，賽車在轉彎時的速度就能提升。（1970年代開始經常使用在汽車上面的擾流板等並非地面效應使用）而要提升下向力，就需要使汽車和地面間的空氣壓力減少。而減少壓力的方法，利用伯努利定律我們可以知道，就是要使空氣加速。方法有二，首先是利用車底設計來使空氣導入窄小的車底管道，第二就是利用風扇強行加速空氣。

現今，許多賽事的正式規則都禁止賽車設計利用地面效應來提升操控性，包括一級方程式賽車。主要原因在於地面效應需保持車底與周圍環境間的相對氣密才有可能產生，但賽事過程中狀況多變，萬一車輛因為遭碰撞損壞或遇到路面顛簸，氣密周界突然失效的瞬間，下壓力會突然銳減而導致車輛失控，風險極高。

套用

地面效應有翼運載工具的高度控制裝置

一種利用產生在機身，機翼和水面之間的地面效應在水面上方很低的高度飛行的地面效應有翼運載工具的高度控制裝置，包括在航行中始終與水面接觸的感測器，它將水面和機身之間的距離數據傳至運載工具的操縱系統；機械地連線感測器和運載工具和連線裝置；通過操縱系統控制的升降舵按照感測器發出的距離數據工作，使運載工具在保持水面和機身之間距離恆定的條件下飛行。感測器可設在水面上的漂浮體內，而機械連線裝置可以是伸縮臂或可反卷金屬線。

地效飛行器

一、概念解析

地效飛行器是介于飛機、艦船和氣墊船之間的一種新型高速飛行器。與飛機不同的是，地效飛行器主要在地效區飛行，也就是貼近地面、水面飛行，而飛機主要在地效區以外飛行；與氣墊船不同的是，氣墊船靠自身動力產生氣墊，而地效飛行器靠地面效應產生氣墊。

當運動的飛行器貼近地面或水面飛行時，氣流流過機翼後會向後下方流動，這時地面或者水面將產生一股反作用力，當它在距離水面等於或小於1/2翼展的高度上飛行時，整個機體的上下壓力差增大，升力會陡然增加，阻力減小，阻擋飛行器機翼下墜。這種可以使飛行器誘導阻力減小，同時能獲得比空中飛行更高升阻比的物理現象，這就是地面效應，並由此開闢了地效飛行技術。

二、優點介紹

首先是速度快。由於它在水上飛行，它的航速是普通艦艇的10倍甚至10倍以上，是氣墊船的3倍以上。

其次是安全性高。地效飛行器在距離水面1~6米的高度低空飛行，一旦出現緊急情況，可隨時在水面降落。在軍事上它可以利用對方探測雷達的盲區，對方很難發現，躲避對方艦載和防空火力的攻擊。

再者，地效飛行器具有較好的抗浪性，小型機可抗浪1米左右，中型機可抗3米左右的浪，大型機對5米的浪也無需過慮。在陸地上，它可以輕易飛越沙漠、沼澤、雪地，必要時還可飛到幾十米乃至上千米的高度。

最後，地效飛行器設計與製造費用均比飛機低，售價約為同級飛機的50%~60%，比購買一架飛機或一艘軍艦的效費比低得多。另外，地效飛行器利用襟翼，能自如地倒退、懸停，以及垂直起降，在軍事上運用地效飛行器進行登入、機降和反潛作戰，都將是十分有效的手段。

20世紀六七十年代，美、蘇、法、德、英、日等國都研製過地效飛機。其中，前蘇聯的地效飛機最為成功，60年代研製的“母鷂”式地效飛機最大速度可達550千米/小時，離地高7~15米，可載人800~900名。地效飛機的套用前景十分廣闊，既可用於反潛反艦、掃雷布雷、軍用運輸等軍事領域，也可用於貨物運輸、污染監測、資源調查等民用領域。

三、成功案例

我國第一艘12座海洋地效翼船在南海海域進行各項飛行測試後，宣布試飛取得成功。該項技術填補了我國在地效翼船領域的空白。

這艘由海南英格地效翼船製造有限公司製造生產的CYG－11型地效翼船，飛行高度1－4米，飛行速度達210公里/小時，核載人數12人，載重量為1200千克，百公里耗油28升。