地效飛行器

地效飛行器

新型高速飛行器
地效飛行器(Ground effect in aircraft)是介于飛機、艦船和氣墊船之間的一種新型高速飛行器。[1]與普通飛機不同的是,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,氣墊船靠自身動力産生氣墊,而地效飛行器靠地面效應産生氣墊。在1980年,前蘇聯實驗了噴射推進的Ekranoplan,就是這樣的飛機,極限飛行重量可以達1000公噸(噸),還在冷戰時期的隐密情況下測試,被美國稱為裡海怪物。大部份翼地效應機都被設計為在水面上運作,因為水面比地面平滑和少障礙物,不單危險度較少,而且在不運作的時候,還可以利用水面浮力來承受機體重量。
    中文名:地效飛行器 外文名:ground-effect vehicle 别名:翼地效應機 作用原理:利用翼地效應飛行 性 質:飛行器

曆史

利用地面效應飛行發現于1932年。1936年,前蘇聯專家開始對地效翼船進行研發 。

1932年5月,德國一架飛機在飛越北海上空時,幾台發動機突然同時熄火停車,失去動力的飛機急劇下墜,眼看掉入大海。但飛機跌至距海面10米左右便不再下跌,竟然保持這個高度緩緩前飛,安全着陸。是“地面效應”托起了飛機,躲過了滅頂之災。

“地面效應 ”原理雖然在19世紀末就已經被揭示,但應用性研究長期停留在理論層面上,進展緩慢。在1903年美國萊特兄弟 發明了飛機以後的很長一段時間裡,地效飛行器的研究仍然裹足不前。直到1932年,芬蘭工程師T·卡裡奧才制造出世界上第一艘由船舶牽引在水面上滑行的試驗型地效飛行器。

第二次世界大戰後,受飛機和艦船制造技術發展的影響,特别是受氣墊船發明的影響,以前蘇聯為代表的幾個國家在地面效應的理論研究和實際應用上取得了突破性進展。不但較好地解決了飛行的縱向穩定性問題,還找到了應用動力沖壓技術(PAR)提高升力和推力的方法。在氣墊船上,用于産生升力的動力不産生推力,早期的地效飛行器也同樣受到這種限制。蘇聯科學家使用PAR技術,将空氣通過噴氣發動機吹入地效飛行器機翼下的空間,不但明顯增大了地效飛行器的升力,還可使80%的噴氣能量轉換成了推力,比原來增大7倍甚至更多。此項技術的發明,解決了長期困擾科學家的地效升力不穩定和推力不足的問題,使地效飛行器的承載能力和飛行速度大大提高,不但突破了“波障”速度,而且輕而易舉地達到了“空泡障礙”速度,最高達到了400節。

在1980年代,前蘇聯實驗性地開發出噴射推進的Ekranoplan,就是一種翼地效應機,其極限飛行重量可達1,000公噸,由于當時還處于冷戰時期,西方國家對于蘇聯在隐密情況下測試的此種飛行器了解不多,隻能暫時以“裡海怪物”統一代稱。

大部份翼地效應機都被設計為在水面上運作,因為水面比地面平滑和少障礙物,不單危險度較少,而且在不運作的時候,還可以利用水面浮力來承受機體重量,在起飛時亦較為簡單。

物理學家StanleyHooker曾提出非常巨型、全重2,000公噸的概念翼地效應機,此機可以搭載超過1000個乘客,以低廉的價格高速往返目的地。

飛行原理

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,這時地面或者水面将産生一股反作用力,當它在距離水面等于或小于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,被科學家稱為地面效應,并由此開辟了地效飛行技術。

性能

航速快、承載量大、隐形效果好、适航性優異,能貼近地面或海面、沙漠或沼澤表面飛行,可以利用雷達的盲區,悄無聲息地快速接近目标,用于突擊登陸,能夠輕易越過岸邊反登陸障礙物和地雷。

軍事應用

機動性能好

地效飛機良好的機動性能體現在它的通用性和兩栖性。地效飛機速度比一般艦船高10-15倍,比大多數高速艦艇也快3-5倍。因其在巡航飛行階段不與水面直接接觸,從而大大減少了航行時的阻力,提高了機動性能。它能根據需要靈活調節飛行高度、速度,順利越過專為登陸艇、氣墊船設置的垂直障礙,而且還不受海區、海岸和複雜地形的限制,較好地解決一般排水型登陸艇對登陸場地條件要求高,無法直接輸送登陸兵上陸的問題;解決登陸兵需要在近岸換乘展開,徒步涉水穿越海灘,形成攻擊戰鬥隊形時易造成較大傷亡的問題。登陸兵搭載地效飛機,可以在任何地點、時間和相對複雜的地形條件下,從對方火力範圍以外,超越常規登陸作戰的換乘展開地區,置水中、地面各種障礙于不顧,高速度沖向敵陣,直接突擊上陸,對敵岸發起攻擊。如俄軍"奧蘭"地效飛機巡航時速為450-550公裡,能在3.2-1.5米浪高的海況下起飛和降落,運送400-850名士兵和數輛坦克。但是,如果定位于搶灘登陸,地效飛行器雖有高速優勢,正因如此,必須将滿是艦船的灘頭騰出大片水面用以降落。因此,直接突擊上陸仍有一定限制。

隐蔽性能好

地效飛機綜合了艦船和飛機兩者的優點,集高速性、隐蔽性和攻擊性于一身,既能高速掠海飛行,又能有效利用雷達盲區,神出鬼沒,使對方難覓足迹;既可在水中機動,從水中、水上發起攻擊,也可貼海飛行,實施精确打擊。這種得天獨厚的優勢和強大的突防能力遠非一般作戰艦船和飛機所能相比。由于其體積小、操作靈活、機動性能好、不易被敵發現,在登陸作戰發起之前,地效飛機可運載偵察、襲擊、特種分隊,利用不良天氣隐蔽地實施秘密機動,完成各種戰術任務。

載重量大

與普通飛機相比,地效飛機的載重量大得驚人,從而填補了海上和空中運輸器之間的空白。地效飛機一次可迅速輸送100至1000名士兵及數輛坦克,使一艘登陸艇望塵莫及。以美國正在研制的地效航空母機為例,它的大小相當于一艘驅逐艦,可載貨405噸,一次可運載400名士兵,16架直升機,幾十輛汽車和火炮。滿載巡航半徑約6350公裡,最大巡航時速為470公裡。由于地效飛機的特殊性能,使之具備了在沒有港口、碼頭的情況下都能自由進出,快速裝載物資的特點,而且由于其甲闆寬闊,載重量大,運輸效率高,所以除能完成兩栖任務外,還可充分發揮其優長,用于各種作戰物資、人員的前輸後送,進行快速保障。搭載特種偵察分隊,利用夜暗和不良天氣秘密滲透到敵障礙區附近,對敵岸防禦部署進行偵察、破壞,為空襲作戰引導目标。

水中工兵

由于地效飛機的速度快、載重量大等特性完全适應現代登陸作戰的要求和未來運輸工具的發展趨勢。著名的波音747飛機載重量僅為其自重的20%,而地效飛機的載運量可達自重的50%。地效飛機可攜帶大量的反水雷系統和工兵分隊,既可排除水中障礙物,也可越過水雷障礙區,直接進至水際灘頭障礙區開辟通路。在水中航行時,對水的壓強小,不會受較少音響雷、水壓雷、磁雷、錨雷等爆炸性障礙物的傷害,具有超吃水、靜水快速好、水下物理場小、對水下爆炸不敏感等特點,即使水雷爆炸,由于地效飛機因其自身具有減壓和防暴作用,受損程度也會比其他排水型艦艇小得多,以便其進入複雜雷區排除水中各種障礙物。

巡航速度高

普通艦艇的航速一般在30節左右,氣墊船為40-140節,地效飛機則高達100-320節。飛行時,它完全脫離水面,航速可與直升機媲美。如俄軍裝備的“裡海怪物”地效飛機,裝備10台發動機,巡航高度10米,速度達400千米/小時,可搭載500名士兵進行低空飛行、水上滑行,越過沙丘、沼澤地等執行搜索潛艇、運送裝備等任務,可奔襲數千千米。

适航性能好

未來地效飛機将綜合運用各種隐形技術,降低雷達、紅外、聲、光、電磁等物理信号特征,并應用更為先進的綜合電力超導推進系統,消除噪聲、降低紅外輻射,從而大大提高地效飛機的隐形能力、快速機動能力、突防能力;将裝備對空、對海、對地武器裝備,實施動中打擊;具有停靠、倒退、垂直起降等多種功能,配備導彈後,可實施全方位快速攻擊。由于地效飛機具有上述特點,因此在未來戰争中,它将被廣泛用于登陸、機降、運輸補給、反艦作戰、反潛作戰、掃雷布雷、偵察巡邏。既可在水面和陸地上起飛、降落,也可在浪高1.5米以下水面穩定疾飛,飛越一般地面交通物障,越過沙漠、沼澤、江河、雪地。既能掠海和掠江河湖面飛行,也可在水面上滑行,也能在地面、冰面或雪面上進行低空飛行。

救援用途

地效飛行器可用幹海上救援,能夠快速反應,及時到達出事地點,而且能夠在水上降落、展開救生。俄羅斯在建的“救生者”海上救護地效飛行器蔔,裝有全套醫療設備如手術室、康複室及燒傷中心,可設150張病床、載500名輕傷員,或承載700-800人等待援助。此外,地效飛行器還可用于海上搜索和反潛作戰,其搜索效率遠遠超過其他任何海上飛行器。

發展進程

蘇聯始祖

俄羅斯研制了秘密地效飛行器“裡海怪物”。美國間諜飛機早在20世紀80年代初就已經在蘇聯的上空注意到地面上有一個奇怪的飛行體,它以令人不能置信的速度,在任何雷達都探測不到的低空飛行于裡海之上。美國軍事專家給這個飛行體起了一個名字“裡海怪物”。

俄羅斯把這種飛行體稱為“地效飛行器”或“地屏飛行器”。“裡海怪物”航程7500千米,能夠以800千米的時速将850名士兵運送到世界各地,而且不會被任何雷達發現。

德國聯邦情報局早在1975年已經知道,有一種型号的“裡海怪物”起飛重量500噸。翼展50米,能夠加載約200噸。為了證明目前建造民間救援用的“地效飛行器”是可信的,人們展示了至今無人看過的、嚴格保密的演飛影片。

俄羅斯研制的這種民用“地效飛行器”本來也是為軍事目的而建造的,但上方的火箭管和内部裝的軍用儀器已被取消了。

這種飛行器足有100米長,尾翼有足球場那麼寬,它的總重量要達到400噸。推進器是八部噴氣發動機,這是俄羅斯飛機制造工業所能夠提供的最大噴氣發動機。俄羅斯已經造出了多種型号,不僅能夠在10米高度上運動。而且在需要時可以達到3000米以上高空。

強國競相發展

1957年前蘇聯研制出世界上第一艘實用型地效飛行器,此後一發不可收,先後研制了20多艘試驗船和1000多個地效飛行器試驗模型,制造出了“雛鷹”、“鹞”、“雨燕”和“伏爾加”等四大系列地效飛行器投入使用。德國地效飛行器的研究也起步較早,生産了“X”和“約克”、“TAFV”等系列産品。美國也先後研制出了“哥倫比亞”号、“加林頓”号和“美洲航線”等一批樣機。此外,據報道近些年英國、日本等在地效飛行器研究方面,也不斷取得階段性成果。

随着工業制造技術、新材料技術和信息技術的進步,地效飛行器正在向信息化和大型化方向發展。從起飛重量上看,幾百公斤至數百噸不等;從用途上看,既有軍用的,也有民用的,既有作為武器平台使用的,也有用于運輸、救援和訓練娛樂的。而新一代的地效飛行器将更多地采用自動控制技術,其起飛重量也将上升到數千噸。

中國制造

地效翼船在國際上和國内均沒有正式的設計建造入級規範文件。上海船檢局于1998年初出版了《地效翼船檢驗指南》 ,編為中國船級社GD010-98号指導性文件。這個文件體現出中國地效翼船技術及相關工作的進步,填補了空白,提高了中國在國際海事組織中的技術地位。

中國地效飛行器之父是畢業于清華大學的李緒鄂。1998年上半年,“信天翁”3型(XTW-3)12座掠海地效翼艇在廣西北海港外海域繼續進行海上試驗試航。下半年DXF100型15座地效飛行器(艇)在湖北荊門漳河水庫,由中國科技開發院召開新聞發布會時進行了水上掠航演示。12月,“天鵝”号(751型)15座動力氣墊地效翼船(艇)在上海澱山湖上海船舶工業公司舉辦的新聞發布會時也進行了水上掠航演示,同時宣布已通過系列試驗及中國船舶工業總公司的驗收。

中國船舶工業總公司組織中國船舶科學研究中心研制的“信天翁”4型20座鋁合金掠海地效翼艇,1999年建成并開始海上試驗。

以上幾型艇都是12~20座客艇,艇重4~8噸,大體上屬于同一檔次的小型地效翼客艇。但卻采取了不同的氣動布局結構,不同的主艇體線型、主翼截面、形狀,不同的結構材料、工藝措施,不同的機槳匹配裝置,不同的下水登陸方案。

2013年4月,中國第一艘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 。除CYG-11型外,海南英格地效翼船制造有限公司還完成了CYG-40型地效翼船的設計工作。該船核載人數40人,載重量4000千克。此外,CYG-100型、CGY-150型、CYG-200型這三種型号的地效翼船也正在研發中 。

目前,地效飛行器技術已日益受到世界各國的重視,世界上在中小型地效飛行器的設計和制造上已積累了豐富的經驗,以俄羅斯為代表的一些國家(包括美國、德國、中國、澳大利亞、日本、加拿大等)已經具備了一些較成熟的技術。 近幾年地效飛行器市場需求量呈現逐年上升的趨勢。相關應用技術的發展都對地效飛行器應用領域的進一步拓寬起到了積極作用,極大地帶動了地效飛行器市場需求量的增加。大型化、無人化、多功能化無疑已成為當今地效飛行器的發展方向。

民用地效飛行器的發展

1、DXF100

DXF100是由中國科技開發院地效開發中心聯合中國航空工業總公司第605研究所總體設計、中國航天工業總公司第701研究所局部設計、宏圖飛機制造廠生産制造的中國第一代實用型地效飛機。DXF100于1995年開始研制,1998年11月10日在湖北荊門市漳河水庫試飛成功。

DXF100主要用于商業運營,可載乘客15人,裝有兩台300馬力航空發動機,機長16.15米,機高4.91米,寬10.98米,最大平飛速度200公裡/小時,最大航程400公裡,最大起飛重量4900公斤,有效載重1600公斤,巡航飛行高度0.6一1米,飛行抗浪高度0.9-1.4米。作為新型交通工具的地效飛行器,有飛行的高速度,而無高空事故的危險,無需建機場,飛行平穩舒适,可應用于江河湖海、草原等地使用,在客運、貨運、旅遊救護、海上緝私、海洋監測等方面具有廣闊的應用前景。

2、江蘇首架地效翼船

2012年10月,江蘇成業地效翼船有限公司研發出一艘“天使号”6座地效翼船,該飛行器長10米左右,高3米多,隻要有300米左右的航道它就可以飛起來,飛行速度最高可達每小時160公裡,最理想的狀态是距離海面0.5米到3米的低空飛行,最高不超過150米。可用于海事、漁政、旅遊、船舶監管等多個領域。

内容

4月16日,海南自主研發的地效翼船在海口桂林洋海域首次實現雙船試飛。

據了解,地效翼船俗稱會飛的船,停在水面像船,起飛後更像飛機。

此次試飛的CYG-11型的翼船可載12人或載貨1200kg,時速200公裡每小時,續航1500公裡,百公裡耗油28升,售價每艘在250萬到300萬美元之間。約合人民币1547萬。

海南自主研發的CYG-11型地效飛行器試飛。

可用于海防、海關輯私、海事監管、“海上高速公路”建設和觀光旅遊。

海南自主研發的CYG-11型地效飛行器試飛。

對保衛我國海防和海洋權益具有重大戰略意義。

4月16日,海南自主研發的地效翼船在海口桂林洋海域首次實現雙船試飛。據了解,地效翼船俗稱會飛的船,停在水面像船,起飛後則像飛機。此次試飛的CYG-11型翼船可載12人或載貨1200kg,時速200公裡,續航1500公裡,百公裡耗油28升,售價每艘在250萬到300萬美元之間,可用于海防、海關緝私、海事監管和觀光旅遊,對保衛我國海防和海洋權益具有重大戰略意義。

面臨問題

技術障礙

1、地效飛行器設計理論還不成熟。

與常規飛機設計不同,這種飛行器由于在飛行中,不僅受地面效應影響,還會受到海情、浪高的許多随機因素的影響,在整個航行過程中大都處于非定常飛行狀态,空氣動力原理十分複雜,特别對飛行器操穩特性的控制和操縱面的設計帶來很大的難度,因此這種飛行器的設計大量依靠風洞試驗和水面實際試航,不僅費時費錢,還很難得到一般規律。

此外,這種飛行器要經常從水面進入大氣,又要從大氣進入水面,這兩種介質的交替使用會給機體造成特别大的沖擊載荷(就像我們在跳水時不小心可能受“水拍”一樣),并使飛行器的氣動力受到強烈擾動,造成翻轉、強烈颠簸,嚴重的會破壞機體結構折斷機翼、機身等。

2、地效飛行器的發動機設計也必須給予特别的考慮,因為它使用的介質既不是純空氣,也不是純水流,而是含有大量水氣的空氣,在貼海飛行時會吸入浪花,在貼地飛行時會吸入地面碎石和雜物。

3、飛行器的選材也是一大難題,既要能經受海面的沖擊和振動,又要能耐海水的腐蝕既要足夠的結實,又不能太重,還應有更好的耐應力疲勞性能。

正是存在以上許多未知或不安定的對安全性和舒适性有很大威脅的因素,給地效飛行器的設計帶來了很大的挑戰。

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