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发信人: trigger (打虎上山), 信区: Green
标  题: 地效飞行器[一]：填补运输效率的黄金空白
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed May 17 08:33:13 2006), 转信


来源：《现代军事》

填补运输效率的黄金空白——地面效应原理与地效飞行器

　　中国科学院院士、中国工程院院士、中国航空工业第一集团公司科技委副主任：顾诵芬
　　中国科学院院士、中国力学学会会长：崔尔杰

　　运输效率是衡量一切交通运输工具优劣的重要指标。现代运载器——车、船、飞机等，正朝着快速、安全、舒适、经济及大运载量方向发展。

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运输效率与速度的变化有一个自然规律：速度小的时候运输能力相对要强，也就是说，在同样的拉力下，拉动的重量要多得多。在1950年，钱学森的老师冯.卡门(Von Karman)教授与意大利人加布里尔(G. Gabrielli)一起，在统计了当时各种运载器的特征数据后，找出了运输效率K=G／W随运行速度V的关系，即对运载器要求高的速度又有一定的高运载效率是有个技术限度的。在下中，低端是火车，高端是超音速客机，运输效率随速度变化呈一条直线，即图中的斜线。这是一条极限曲线。
　　 
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从图中可以看到，火车在100千米/小时的速度时，空气阻力很小，只需要克服铁轨的摩擦力就够了，100千克的拉力可以拉动10000千克的重量；而超音速客机“协和号”飞到2000千米/小时，100千克的拉力只能拉动600~700千克的重量。这是客观规律。因为速度大了以后，空气阻力增加得非常快，会消耗很多的能量。从图中还可以看到，当V=100千米/小时左右，无论水翼船和气垫船的运输效率K都不到10，而冯卡门-加布里尔曲线K表示它们应该可以达到150以上，之所以达不到的原因是这类船没有离开水，而水的阻力是随速度的平方在增加，而且水的密度又是空气密度的800倍，因此船的最高速度很难超过150千米／小时。怎样才能进一步提高船的航行速度和运载被率K，这是各国科学家所特别关注的。

　　随着现代科学技术的不断进步，这条曲线可能平移K.V=15000是1995年的水平，K.V=20000是美国航空航天局（NASA）预测的2l世纪水平。人们注意到，在速度为300-500千米/小时，运载效率K为15-30靠近极限曲线这一区间，在地效飞行器问世之前，是一大片空白。

　　为什么要搞地效飞行器？是因为在这个区间，原有的运输工具效率都比较低，水上飞机K=8-10，100千克拉力有可能拉动1000千克重量；轻型飞机K=12，有可能拉动1500千克重量；特别是直升飞机，100千克拉力最多拉动300千克重量，都离极限曲线很远。而地效飞行器因为充分利用了地效的增升作用，100千克拉力有可能拉动3000千克重量，达到了K=25以上，接近了极限曲线的边界。由此可见，地效飞行器高速高装载量的运输潜力很大，有望达到极其有效的运输效率。
　　 
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早在20世纪初，空气动力学家就发现了飞行器在靠近地面飞行时，因地面影响减少了流经机翼的下洗，因而能增加升力、减少诱导阻力，使飞机能得到比空中飞行更高的升阻比L/D。其中L为能举起飞行器的力，也就是飞行器重量，D为飞行器在该飞行速度的阻力。因此，L/D也表征了飞行器的运载效率K。这一现象被称为“地面效应”。

　　1932年，德国人在北海飞道尼尔DO-X水上飞机时，发现贴近海面飞行时的耗油率要比在空中飞行时低。20世纪60年代，苏联著名设计师阿列克谢耶夫(R.E.Alexeyev)首先提出，要使船的航行速度突破l50千米/小时的屏障只有将船飞离水面，离水后能达到高的运载效率。

　　地面效应的强弱取决于机翼离地高度h与机翼弦长b之比。一种典型机翼，远离地面，即≥0 4时，升阻比K为25；但近地面，即=0.1时，则K=50。这表明飞行器若贴地面或水面飞行，运载效率K将比空中飞行时高一倍。阿列克谢耶夫正是利用这个原理设计了一系列的地效飞行器，其运载效率K远高于同样飞行速度V=300千米/时的直升机。一般，直升机因为要保证垂直起降，气动阻力很大，K不到3，固此不可能有高的运载效率。水上飞机和轻型飞机由于不能利用地面效应，气动阻力也较大。而地效飞行器利用了地而效应，使运载效率K大大提高到接近冯卡门-加布里尔曲线的边界K=30，因此效率是很高的。如果地效飞行器设计成组合式机翼，即主翼用大弦长、小展弦比形式，再加上小弦长、大展弦比外翼，就有可能突破冯卡门-加布里尔曲线，上升到更高水平即K=70以上。

　　地效飞行器在水上飞行时还有一个抗浪的问题，必须飞过浪尖。为了能飞过浪尖，对浪大的地区就必须飞得高。如在4-5级海情，浪高2.5米的情况下，地效飞行器的弦长最好要15米以上，这样的地效飞行器将重500吨左右。因此，为了在海浪中全天候飞行，地效飞行器必须做大。

由于地效飞行器贴近海面飞行有较高的运载效率，因此无论军用民用都有广阔的前景。俄罗斯的一些研究单位，曾对不同情况下地效飞行器的使用、维护、经济性和可靠性等广泛的问题进行了研究，证实了将地效飞行器用于海上作战、运送兵员、作为导弹发射平台和用于反潜目的征技术上和经济上的突出优势。

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一是快速机动。400吨级地效飞行器的速度为500千米/时，约为一般船舶速度的10倍，能出敌预料地从任何方向到达1000千米作战半径内的任何地点，完成突击性任务。地效飞行器在距离水面1-5米的高度飞行，能超越水平障碍实施机动，在海上自由起降，对气象条件和岸上设施的依赖性小，战时可多点多方向对敌舰船和濒海目标实施攻击，其航行速度接近导弹初速，更易于导弹的发射。

　　二是装载盘大。400吨级地效飞行器的有效载量可达60 吨以上，具有充分的发展空间。目前一次可装载500~640人或3辆两栖装甲突击车，亦可装载相应重量的综合电子战装备，以及军械、后勤供应等备类保障物资，成为海上(水上)超过我国现有最大运输机的大承载量的高速平台。

　　三是隐蔽性高。地效飞行器掠海飞行，长时间处于岸基雷达、舰载雷达和潜艇声纳的盲区，只有在非常接近敌方目标时，才有可能被探测到。其贴近水面的飞行高度还将致使敌方的杀伤概率大为降低。

　　四是安全性好。地效飞行器不直接承受海浪的颠簸，也不会遭遇大气紊流的干扰，适于武器的运载和发射；地效飞行器即使发生故障，也可随时方便地降落水面，不会造成严重的安全事故。

　　五是经济性好。地效飞行器借助“地(水)面效应”，气动数率高；制造尽量采用船舶设备和生产工艺，成本仅为同级飞机的50％左右，且不需建设机场和跑道，可节省大量的土地占用和场站设施建设费；使用维护便捷，运营费用要是显著低于飞机。超大型的地效飞行器因为装载能力大航行速度高、运载效率高，特别适合用作远程投送。

　　美国正在研制的“鹈鹕”地效飞行器，长152米，翼展109米，有效载重1270吨，作为军事应用可运送17辆坦克。海上飞高一般不超过6米，陆地上飞行高度可达6000米，海上航程超过1万千米。对于民用则可做成载客2000人的越洋运输艇。俄罗斯从20世纪80年代开始研制“别-2500超重两栖地效飞机”，它体型巨大，翼展达156米，有效载重为700吨，最大航速可达800千米/小时。专家们断言：这类超大型地效飞行器，将主要用于越洋航线，并可用于科学考察任务，尤其适合海洋探索，在未来的海上基地间运送设备和补给。这种超大型地效飞行器，由干没有起飞爬高等过程，因此飞行周转快，也可作中、短程航班使用。

　　地效飞行器的空气动力学原理

　　空气动力地效飞行器(如地效飞机冲翼艇、依靠地而效应进行远距离飞行的飞机等)获得所需要的升力，除了借助飞机机翼获得升力的一般原理外，还巧妙地利用了地面效应原理。当有翼飞行器在做近地(高度小于两倍翼弦长度)的水平飞行时，其气动特性与在中高空飞行时是不一样的。由于地面的存在，改变了气流的下洗场和流速，在离地表很近的带有端板的机翼下方，形成气流的“堵塞”，减小了流速，使上下翼面间的压力差加大，从而提高了机翼升力、降低了诱导阻力增大了飞机的升阻比。实验证明，这种飞行器在贴近地面(或水面)飞行时的升阻比要比在高空时增加许多，其所需的推进功率较小。设计良好的地效飞机，其油耗可节省大约一半，有效载重系数比普通飞机高25％～50％以上，航程可增加50％左右。

　　空气动力地效飞行器的外形与普通飞机有许多相像之处，但也有不同的地方。它们多数是按照在水面上空的飞行条件设计的，采用船形机身以方便在海上或湖上起飞、降落和滑行；机翼的展弦比一般比较小(约为1.2～2)且位置较低；在翼尖的下方设置有端板或浮筒，用以减小翼面下方高压空气的外泄，水平尾翼的位置往往比较高，以避开机翼尾流的不利干扰并减少地面教应对纵向操稳特性的影响；为提高操纵效率，其水平尾翼的翼展比较大。

　　中大型空气动力地效飞行器的速度较快(可达500~550千米/小时)；越障、抗浪能力和适航性好(在浪高l.5米以下时飞行稳定，浪高超过1.5米时仍能飞行)。它们一般在“有利地效区”(相当于翼展0.05～0.2的高度)上飞行，但某些机型在载重量较小的情况下，也可以短时间爬升到几百米的高度，其缺点是载重系数比空气静力地效飞行器要低一些，而且难以像空气静力地效飞行器，如气垫船，那样“悬浮”在空中并灵活转弯。

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如果在机翼前方安装喷气发动机或螺旋桨，并将部分喷流或螺旋桨滑流直接排放到机翼下部，则地面效应的作用会更明显，增升效果也更好。采用了动力补压(亦称动力增升)技术的这种地效飞行器，在主翼前方设置有2台以上的动力装置。起降或飞行过程中，其主翼上的前缘襟翼、后缘襟翼向下偏转，从而与机翼、机身和翼尖端扳(或浮筒)等构成一个半封闭的气垫室。由前置发动机或机翼前面的螺旋桨、风扇等，向气垫室内供气，产生气垫压力，可大大增加上下翼面之间的压力差，提高起降或飞行时的升力，降低起降速度。某些型号的地效飞机，由于动力增升装置的功率大，气垫室的密闭效果好，形成的气垫压力高，可在零航速的情况下将机体托起。


　　采用动力补压技术的地效飞行器，综合了空气动力地效飞行器与空气静力地效飞行器的优点，工作原理介于两者之间。它能像全垫升气垫船一样，以很低的航速自行登陆和下水。其操纵特性良好，能自如地悬停实现无坡度急转弯，甚至就地回转。这种混合型的航空器一般被称为动力气垫型地效飞行器。

　　以螺旋桨发动机为动力的小型冲翼艇、气垫艇等动力气垫型地效飞行器，只适宜在地效区内飞行，一般不具备爬高飞离地效区的能力。躲避障碍物时，主要采取水平机动的方式。 主要以喷气式发动机为动力的中大型地效飞行器由于动力强劲，可在短时间内跃升几十米至上百米的高度。但由于它们的主翼展弦比小，离开地(水)面后气动效率变得很差，往往只能在避障、发动突击等特殊情况下短时间使用。

　　采用大展弦比机翼的巨型空气动力地效飞行器，实际上是可依靠地面效应进行远距离飞行的飞机，其使用灵活性很大，但利用地效的能力稍弱一些。美国波音公司正在研究开发的“鹈鹕”就是这样一种飞行器。

　　地效飞机的速度比船只快得多，而且能贴近地(海)面飞行，因而隐蔽性较好，不易被舰载武器和地面防空火力击中。上述特点使它具有极大的军事价值。


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千古江山，英雄无觅，孙仲谋处。舞榭歌台，风流总被，雨打风吹去。斜阳草树，寻常巷陌，人道寄奴曾住。想当年，金戈铁马，气吞万里如虎。
元嘉草草，封狼居胥，赢得仓皇北顾。四十三年，望中犹记，烽火扬州路。可堪回首、佛狸祠下，一片神鸦社鼓。凭谁问，廉颇老矣，尚能饭否？
                                                    --------永遇乐京口北固亭怀古


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