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地效飞机原理

  地效飞机是利用地面效应提供支承力而飞行的运载工具。它的外形同水上飞机有些相似,机翼面积很大,由于贴近地面(或水面)飞行,机翼下表面形成气流的“堵塞”,使机翼升力增加,诱导阻力减小,因而大大提高机翼的升阻比,这一现象称为地面效应。与普通飞机(包括水上飞机)相比,地效飞机具有升力大,有效载荷多,节省燃料和航程远等特点;与高速海上交通工具气垫船相比,其远航性能和巡航速度都更为优越。地效飞机是介于船和普通飞机之间的新型水上快速交通工具。1935年芬兰人T.J.卡里奥研制成第一架地效飞机,自50年代末期开始,前苏联就开始研制大型军用地效飞机,目前已装备部队使用,已公布的型号有:140吨级的A·90·150“小鹰”(Eaglet),400吨级的“鸡鹞”(Hen—harrier)和20吨级的“雌鸭”(Duck)以及众多中小型的民用地效飞机。

地效飞机应用

  许多军事家预言,地效飞机将成为现代立体战争的组成部分,在军事上应用前景十分广阔,如可用于登陆运输,反潜和布雷等任务。同时民用方面使用前景也十分广阔,如可用于海上和内河快速运输,海情侦察,水上救生等。

  1991年9月,俄罗斯首次公布了保密十几年的A.90.150“小鹰”实用型地效飞机,该机通常在距水面3.5—14米高度上飞行,速度可达556千米/小时。图为“小鹰”地效飞机正在巡航飞行,此时机头两侧升力发动机喷口转平,参加巡航动力系统工作。

地面效应的发现

  早在航空业发展初期,飞行员们就发现飞机(尤其是小展弦比、下单翼、宽翼展飞机)在着陆过程中,当飞行高度与飞机翼弦长度相近时,会出现一种附加升力,使飞机突然感到飘飘然,不太容易完成着陆,这就是所谓的地面效应作用。

  最初,人们在发现这种现象时,并不明白这种附加升力的特性,也没有去专门研究如何应用这种附加升力,只是简单地给它起了一个“空气垫”的名字。直到出现诱导阻力理论后,人们才弄清楚这种现象的实质,对其进行了更科学的分类,并冠之以“邻近地面效应”,亦称“地面效应”或“地屏效应”,简称“地效”。

  所谓的地面效应是飞行器由于地面或水面干扰的存在,飞行器升力面(通常指机翼)的下洗作用受到阻挡,使地面或水面与飞行器升力面之间的气流受到压缩,即机翼下面的压力升高,因而增大了机翼升力,同时减少阻力(即机翼诱导阻力因气流流过的条件改变而减小)的二种空气动力特性。

制造地效飞机

  后来,人们在不断的认识过程中,研制出了一种利用地面效应提供的支承力而飞行的飞行器,与气垫船不同的是,它必须有前进速度才能产生地效作用,所以也称作动力气垫地效翼船(艇)。地效飞行器曾被称作“两不象”:如果说它是飞机,它却不需要机场起降,而且能象船一样在水上航行如果说它是船,它却又能象飞机一样飞行。

  人类是从发现地面效应现象,转而考虑如何应用这种附加升力的。从1897年法国人最早进行地面效应飞行试验至今,人类对地效飞行器的理论研究和实践试验已有了上百年的历史。不过因种种因素的制约,很多国家在该领域所取得的成就远不如在水上和空中运载工具方面那么明显,目前在这方面独领风骚的是俄罗斯。俄罗斯的专家们经过几十年艰苦不断的努力,已经解决了地效飞行器的空气动力学、结构强度、安全性和使用可靠性问题及其相应的结构材料、发动机和机载设备的保障问题,并成功地研制出不少最近几年才被逐渐披露的具有各种用途的地效飞行器,使世人对地效飞行器的性能特点有了更加全面的了解,同时也引起许多经济发达国家的广泛兴趣。

独特性能

高承载性与高速性

  地效飞行器的载运量可达自重的50%,而著名的波音747飞机载运量仅为其自重的20%;它可完全脱离水面或地面航行,需要克服的阻力只有水的1/800,因此其飞行速度比一般船艇速度高9-14倍,比大多数高速船也快2-4倍。

高运输经济性

  与飞机相比,客运地效飞行器单位公里耗油量基本上与现代先进飞机相当,但它却不象飞机必须从投资大的机场跑道起降,而自身具有一定的爬坡登岸能允与船艇相比,货运地效飞行器每千克负载以500公里/小时的航速运送5000公里的运输费用仅相当于常规船舶以40公里/小时航速的运输花费,即0.3—0.4美元而比900公里/小时速度的飞机的运输费要少一半还多。

多航态营运特性

  地效飞行器一般都具有低速排水航行、中速气垫状态航行和高速离水航行等特性。

高耐波性与适航性

  由于地效飞行器采用动力气垫增升等技术,大多都能在3级海情下顺利起降,在浪高小于3米时稳定安全地巡航航行。

  两栖性地效飞行器不仅可在水面、冰面、雪地上低空掠行,且具有一定的爬坡、登岸能力,它不受航道环境和码头条件限制,可以快速将人员和货物运往滩头。

良好的隐蔽性和突防能力

  地效飞行器通常都是贴水面或地面高速掠行,所以一般都处在敌雷达盲区内,很难被发现。即使被发现,它也能规避敌舰载或陆基防空武器的拦截,突防能力很强。

较强的作战能力

  地效飞行器比现有的导弹快艇速度要快、机动性要好,可利用其高速性和突防能力对敌舰进行有效的攻击,而敌人的水雷、鱼雷不会对其构成威胁。

多用途性

  在军事领域,地效飞行器除可用于攻击敌舰艇及实施登陆作战外,也可用于执行运送武器装备、快速布雷、扫雷等任务,还可为海军部队提供紧急医疗救护。在民用领域,地效飞行器不仅可用于客、货运输,还可用于资源勘探、搜索救援、旅游观光、远洋渔船和钻井平台换员运输、通信保障与邮递等。

技术障碍

  尽管地效飞行器使用前景广阔,但至今发展尚有不少技术障碍。

  首先是地效飞行器设计理论还不成熟。与常规飞机设计不同,这种飞行器由于在飞行中,不仅受地面效应影响,还会受到海情、浪高的许多随机因素的影响,在整个航行过程中大都处于非定常飞行状态,空气动力原理十分复杂,特别对飞行器操稳特性的控制和操纵面的设计带来很大的难度,因此这种飞行器的设计大量依靠风洞试验和水面实际试航,不仅费时费钱,还很难得到一般规律。此外,这种飞行器要经常从水面进入大气,又要从大气进入水面,这两种介质的交替使用会给机体造成特别大的冲击载荷(就像我们在跳水时不小心可能受“水拍”一样),并使飞行器的气动力受到强烈扰动,造成翻转、强烈颠簸,严重的会破坏机体结构折断机翼、机身等。

未来发展

  地效飞行器的发动机设计也必须给予特别的考虑,因为它使用的介质既不是纯空气,也不是纯水流,而是含有大量水气的空气,在贴海飞行时会吸入浪花,在贴地飞行时会吸入地面碎石和杂物。

  飞行器的选材也是一大难题,既要能经受海面的冲击和振动,又要能耐海水的腐蚀既要足够的结实,又不能太重,还应有更好的耐应力疲劳性能。

  正是存在以上许多未知或不定的对安全性和舒适性有很大威胁的因素,给地效飞行器的设计带来了很大的挑战,但可以深信随着现代科学技术的飞速发展,以上问题必将一一得到解决。

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