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飞机身上的“筛子”到底是什么?

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  细心的朋友如果注意观察,一定会注意到不少飞机的机身上都会有密密麻麻的网状孔,就像我们平时生活里会用到的筛子一样,比如说下图就是欧洲台风战机的进气道,就在进气道的表面上分布着密密麻麻的小孔。


  ↑“台风”战机进气道上表面的“筛子”↑

  而类似的,不少战机都会有这样的结构。那么好端端的,为什么要在飞机的表面打上这么多小孔呢?不怕漏风吗?


  ↑“枭龙”战机进气道位置的“筛子”↑


  ↑F-22进气道位置的“筛子”↑

  事实上,这个东西就是用来“漏风”的,并且对于飞机的正常飞行而言,这个风必须要漏,不得不漏,因为要防范着一种叫做“附面层”的东西。

  什么叫附面层

  空气、水这些都是流体,而当流体轻拂过物体表面的时候,会产生一种奇特的现象:附面层。简单说,因为物体表面跟气流之间会存在摩擦,所以在特别靠近物体表面的位置,气流相对物体表面几乎是不动的。

  我们可以想想这样的场景:

  排列整齐的一大群人在一堵墙的一侧,以一定的速度行走。最靠近墙的第一列因为贴着墙,被限制住了动作,所以没法往前走,速度为0。第二列的队员会受到第一列的影响,但是好歹可以往前蹭一蹭,速度虽然依然很慢,但好歹不是静止不动了。类似的,第三列相对第二列,速度会更快一点儿,第四列相对第三列,速度还能更快……越往外的队列,行进的速度就越快,直到往外到了某一列,速度终于跟方阵整体的速度差不多了。


  ↑用行进队列来比喻附面层现象↑

  下面这张图就展示了什么是附面层,我们可以从图中看到,在远离物体表面的地方,气流流动非常正常,但是越靠近物体表面,气流速度就越低。而这部分“不正常流动”的气流,就是“附面层”。



  ↑流体中的“附面层”现象↑

  不要以为附面层离我们很远,我们观察不到,实际上,我们所有人都生活在附面层中。下面就是风速和高度之间的关系,我们发现,在一定范围内,越靠近地面的地方,风速就越低。


  ↑风速和高度之间的关系(横坐标-风速;纵坐标-高度)↑

  简单说,地球在转动,会带动周围的大气一起运动,而最靠近地表的那部分大气会几乎相对地表静止,或者换句话说,就是我们站在地表上,会觉得风速很低。

  而我们看到的飞机表面的“筛子”,为的就是消除这些附面层。

  为什么要防着附面层?

  当流体刚开始接触物体、安稳地流动的时候,附面层的厚度实际上很小很小(往往只有几个毫米),可能需要通过放大镜仔细观察才能够看到这一层薄薄的气流层。那么为什么飞机必须要小心防范着这看似微不足道的附面层呢?这是因为附面层有可能会发生“扩散”。

  我们知道,流体的流动往往是不稳定的,稍有一些扰动就会引起整个系统的崩溃。我们还是拿刚刚行进的队列举例:

  虽然一开始整个队伍还是有条不紊地往前走,结果突然有一个同学被绊倒了,影响到了旁边的同学,然后大家一个接着一个倒下来,最后整个队伍都乱了。

  或者还有一种情况,就是这个墙并不是平直的,而是在哪儿拐了个不大不小的弯,所以靠墙的队伍就先乱了,然后再逐层往外影响,最后依旧是整个队伍混乱不堪。

  而气流在飞机表面的流动也是一样的,只要气流一直贴着物体表面走,那么迟早会因为各种各样的原因而产生湍流现象:这些原因可能是物体表面形状改变,可能是一个微小的扰动,又或者气流本身的方向就变了,总之,原本横向流动的气流突然变得乱七八糟,这对飞机的影响就大了。


  ↑流体附面层的扩散↑



  ↑附面层实际上非常不稳定↑

  比如说飞机的进气道,一旦进气道内出现附面层扩散的现象,就意味着原本“整整齐齐”进入发动机的气流变得“混乱不堪”,而发动机就会像人喝水被呛到一样,发生名为“喘振”的现象,威胁到飞机的安全运行。

  所以防着附面层,主要是防止附面层扩散。

  “筛子”是怎么防止附面层扩散的?

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  附面层的扩散本质上说,就是气流不好好顺着物体表面横向流动,而是要往远离表面的方向流动,那么只要放开一些小孔,把那些已经紊乱的气流吸走、使得想往外拐弯的气流“拉”回来就好了。下图就是这些“筛子”的基本结构,学名叫做附面层吸附孔。


  ↑附面层吸附孔↑

  小孔的内部实际上就是一个空腔,而当气流流过这些小孔的时候,就会往这些小孔里面钻,气流就有了一个往内拐的趋势,自然就不会往远离物体表面的方向“扩散”了。

  下面两张图就对比了有附面层吸附孔和没有吸附孔时,气体流动的情况,以及附面层的厚度。显然,附面层吸附孔对于减小附面层厚度、防止附面层扩散,效果是很显著的。


  ↑左图-没有附面层吸附孔;右图-有附面层吸附孔↑


  ↑左图-没有吸附孔时附面层厚度;右图-有吸附孔时附面层厚度↑

  结论

  飞机表面的筛子可不是为了过滤什么东西,而是为了“漏气”,目的就是防止附面层扩散引起的飞机气动性能变化,尤其是飞机发动机进口位置,这可是关系到飞机正常运行的关键因素。当然了,对于飞机发动机进气道的附面层消除技术还有很多,我们以后有机会可以接着再聊。

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  风上风云|云端故事


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