飞机后的白线仅仅是尾气吗——神秘的翼尖涡流
飞机后的白线仅仅是尾气吗——神秘的翼尖涡流
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在我们的日常生活中，相信大家总会看到飞机飞过拉过长长的白线，给蔚蓝色的天空装点了一抹神秘的白线，辉煌而神秘，给浩瀚无垠的天空增加了一种神秘的美。可能有人会误认为，这些白线是飞机排放的尾气，实则不然，若是都是污染环境的尾气，那污染可太严重了，从科学上来讲，白线的构成尾气只占很少的一部分，白线多数由水蒸气凝结而成。
在之前的科普文章中我们讲解过，这种白烟是一种“云”，在航空飞行界和航空气象学上称之为飞行尾迹。这种飞行尾迹有多种成因，可能来自于飞机飞行时产生的尾气，也可能是来自翼尖涡流，还有可能是来自凝结尾流，就是经过发动机加热的空气经过飞机后与空气中的水蒸气相结合，类似于冬日中大家哈出白气的原理，还有一种五彩缤纷的尾气即空中飞机表演是拉出的彩色烟雾。
不同类型的尾气
接下来，让我们逐一区分以上不同类型的尾气。
01
首先是飞行尾气，这类尾气颜色相对较深，就是发动机燃烧燃料过后所排出的黑色烟雾，与汽车尾气类似。
02
第二种，就是我们提到的也是比较常见的凝结尾流，也叫凝结尾迹，飞机在万米高空，飞机外面的温度低至零下60℃，空气流过发动机被加热，而离开发动机后热空气遇冷凝结，产生白色轨迹。
03
第三种，经常出现在阅兵仪式上，这是一种类似干煤油的物质导入一个雾化装置，通过染色装置可以喷出彩色的烟雾。
04
最后一种，也是本次我们介绍的主角——翼尖涡流。
翼尖涡流是如何产生的呢？
机翼的下表面气流压力高于大气压，上表面气流压力低于大气压，在机翼比较宽的地方，或者说机翼中部，有高速气流吹过来，那机翼下面的空气就上不去，或者上去的很少。所以空气的上下流动对升力的影响就很小，可以忽略不计。在翼尖处，下表面的气流会绕过翼尖流向上表面。这个流动趋势和来流叠加，就形成了螺旋的流动，这就是翼尖涡流。在飞机后面，这些小的涡流混合卷动在一起。在翼尖处形成两组方向相反旋转、向后流动的自由尾流。从飞机的后方看，右侧旋涡呈逆时针方向旋转，左侧旋涡则呈顺时针方向旋转。
从力学角度来看，翼尖涡流会影响整个机翼表面的压力分布，使升力减小，阻力增加。从机翼表面压力分布的角度解释，在翼尖处，没有了机翼的阻隔，上下表面的压力应该是相等的，效果是翼尖处的升力为零。也可以理解为空气从下表面跑到上表面，对下表面的高压具有泄压的作用，而对上表面的低压具有增压的作用，从而减小了整个机翼的升力。从动量定理的角度看，升力的大小取决于机翼向下“排出”气流的质量和速度，而翼尖涡流可以看作是机翼下表面的气流向上表面的泄漏产生的，也就是说有一部分空气没有被排向下方，而是跑到上边来了，因此升力减小了。
翼尖涡流还会增大机翼的阻力。一般把翼尖涡流产生的阻力称为诱导阻力。一般对诱导阻力的解释是翼尖涡使气流产生下洗效果，由于机翼产生的升力减小，而合力大小不变，增加了向后的分量，从而使机翼上的压差力向后偏斜，这个向后的分量就是诱导阻力。而为了减少翼尖涡流的影响，许多飞机增设翼尖小翼，翼尖小翼可以减弱翼尖涡流导致的升力减小，它可以减弱翼尖涡流产生的诱导阻力，它还可以利用翼尖涡流，产生推着飞机往前飞的气动力。
翼尖涡流在飞行中能够产生许多绝美的景观，这既是力学之美，亦是现代科学与自然结合之美，让我们一起来欣赏吧。
参考文献
[1]（一）闲话翼尖涡 - 知乎
[2]【高职机务】飞机“尾气”是什么？
[3]近期学习 | 翼尖涡流以及翼梢小翼 - 拷贝
图片源自于网络和AI创作，仅供科普参考
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