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【海天怪物：地效翼船正传】（一）
(2015-02-03 20:34:42)
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杂谈 |
速度是人类的一贯追求，一个世纪以来，运输工具的时速从火车的50公里，汽车的100公里，发展到飞机的2000公里。由于种种原因，水上运载工具航速的提高却很缓慢，为了提高速度，人们相继成功研制了水翼艇、气垫船、高速双体船等一系列高速运载工具，总之，人类努力想要获得一种同时拥有飞机高航速与船舶高经济性相结合的运输工具，于是，地效翼船诞生了。
地效翼船诞生的故事
地效翼船是如何诞生的，有很多传说，其中最经典的是：1932年5月的一天，北大西洋上空依旧灰雾蒙蒙，一架德国“道尼尔Do-X”大型远程水上飞机正在进行低空试飞。飞行员突然发现发动机转速在急剧降低，飞机随之减速，一头冲向海面。原来，六台发动机中的四个供油管路被堵塞。一场机毁人亡的事故顷刻就要发生。就在飞行员一边心理默默祈祷上帝保佑一边进行海上迫降的时候，奇迹却出现了，当飞机掉高到距离海面几米时，从海面升起一股神奇力量将飞机改平，只需很少的发动机功率就可以一直把飞机保持在这个高度上向前飞行。最后，这股力量将这架庞大的水上飞机完好无损地送回了岸边。这种力量到底是来自哪里呢？最先给出答案的是空气动力学家。他们的研究结果表明，当运动的飞行器掉到距离地面或水面很近时，整个机体的上下压力差增大，升力会陡然增加。这种可使飞行器诱导阻力减小，同时能获得比空中飞行更高升阻比的物理现象，被科学家称为地面效应。
当然，笔者并不认为这是个真实的故事，其实地效翼的研究最早开始于20世纪20年代，早在20世纪初，芬兰空气动力学家就发现了地面效应现象。因为“道尼尔DoX”水上飞机独有宽翼展、小展弦比的机翼，在接近海面飞行时会频繁出现地面效应，仿佛有一种力量在托着飞机，同时在地效状态下飞机可以用很小的省油功率保持高速飞行，科学家和工程师们受到启发开始进一步研究这种空气动力现象，最后发现了地面效应理论。1935年，芬兰工程师T.J.卡里奥研制了世界第一艘这种“既会飞、又会游”的船，当时称之为“冲冀艇”。
德国道尼尔Do-X水上飞机
什么是地效翼船
地效翼船的学名应该叫“空气动力地效翼船”，最先被称为“冲翼艇”（冲气机翼的意思），上世纪60年代至今，还被称作“地效翼飞行器”、“地效飞机”、“地效飞船”、“地效艇”等等。虽然有时叫做飞机，但它通常只能贴近水面飞行，无法翱翔高空；虽然有时叫做船、艇，但它的速度却比普通船舶快十几倍，接近现代飞机的速度。用通俗的语言讲，地效翼船就是利用利用地面效应进行离水航行的高速船舶（或者利用地面效应进行飞行的飞行器）。地效翼船在军用和民用两方面都有巨大的潜在优势:具育飞机的高速度、船舶的高装载量和高效费比、低雷达可探测性、良好的耐波性和两栖能力。
地效翼船的空气动力原理
当普通飞机在空中飞行时，机翼下方的压力大于其上方的压力，产生升力，托着飞机运行；而地效翼船在贴近水面或地面时，船底下的空气受到挤压、流动受阻塞，压力增大，从而产生附加的升力。地效翼船获得的升力，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翼刀或隔断端板的机翼下方，就会形成气流的“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。一架相同起飞重量的地效翼船与普通固定翼飞机相比，其油耗可节省一半，有效载重系数比高25％～50％以上，航程可增加50％左右。
地效翼船的性能特点
地效翼船的气动外形与水上飞机相比有许多相似之处。都拥有流线型的机身以减小阻力；按照在频繁接近水面上空的飞行条件设计，采用水密的船形底机身以利于在水面上起降；为避免机翼涡流造成的干扰，和地面效应对纵向稳定性的影响，水平尾翼的位置往往比较高，通常设置于后部的最高点。地效翼船的气动外形也有许多独特之处。机翼的展弦比非常小，只有1.2—2，而且通常为下单翼；在翼尖的下方或机翼中段设置有宽大的隔断端板，或整体式浮筒，用来形成气动封闭区，减小机翼下面被压缩的空气外泄；因为气垫场效应造成的操纵效率降低，地效翼船的水平尾翼翼展通常设计的比较宽大，以提高操作敏捷性。
地效翼船巡航飞行高度通常为翼展的0.05～0.2倍，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。地效翼船速度较快，小型的可达180公里/小时，前苏联大型喷气动力地效翼船甚至高达500公里/小时。适航性强，具有良好的越障、抗风浪能力，可在l.5米以下浪高稳定飞行，浪高超过1.5米时仍能飞行，很适合在平坦陆地、内陆湖或近海执行任务。
地效翼船通常把发动机安装在机翼前方，并将部分喷流或螺旋桨滑流直接排放到机翼下部，以人为增强地面效应，起到增升作用。采用这种动力增升技术的地效翼船，在起降或飞行过程中，可以向下偏转主翼上的前后缘襟翼，在机翼襟翼、机身和翼尖隔断端扳间构成一个半封闭的气垫室。由前置发动机向气垫室内供气产生气垫压力，能够极大的提高起降或飞行时的升力，降低起降速度。甚至由于动力增升装置功率大、气垫室密闭效果好、形成气垫压力高，可在零航速的情况下将机体短时间托起。采用动力增压技术的地效翼船，综合了空气动力地效翼船与空气静力地效翼船的优点，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或下水。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翼船。以螺旋桨发动机为动力的小型地效翼船，只能飞行在地效区高度内，一般不具备爬高飞离地效区的能力。躲避障碍物时，主要采取水平机动绕过障碍物的方式。以喷气式发动机为动力的中大型地效翼船，由于动力强大，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，离开地效区高度后气动效率和操纵性会变得很差，只能在避障、发动突击等特殊情况下短时间使用。
地效翼船的范畴界定：它是飞机还是舰艇
由于俄罗斯早期开发的地效翼船均可以飞离地效区，甚至可达数百米的飞行高度，因此，将这种运输工具作为商业航运，就出现了地效翼船究竟是属于“民航”还是属于“船级社”管理范畴的问题，即地效翼船是属于“飞机”还是属于“船”。对地效翼船的分类，目前尚无统一的认识。将地效翼船分成“飞机型地效翼船”和“飞船型地效翼船”是比较简捷的方法。中国船级社于1998年出台了《地效翼船检验指南》指导性文件，后授予“天翼一”号地效翼船船级，并已通告国际海事组织设计设备分委员会。国际海事组织（IMO）在俄罗斯的推动下，于1994年对原有的动力支承艇规则进行了修改，修改稿被IMO的海事安全委员会(MSC)接受。
2004年12月1日，国际海事组织（IMO）海上安全委员会第79届会议批准了地效翼船临时导则修正案。
国际海事组织制定的《地效翼（WIG)船暂行指南》，其中规定地效翼船依据下列类型核准：
A类：经核准仅利用地效运行的船舶；
B类：经核准可临时把运行高度提高至地效影响范围以外的有限高度，但不超过海平面以上150米的船舶；
C类：经核准可在地效范围以外运行，高度不超过海平面以上150米的船舶。
超出150飞行高度的，被国际民航组织（ICAO)定义为飞机。至此，地效翼船就被正式划入船舶范畴。
下一节，我们去共同探寻，苏联时期研发的各种地效翼船，以及地效翼船事业创造的辉煌历史。（文/科罗廖夫）
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