世界地效翼船發(fā)展研究

郭鵬飛，張 永，邵秋虎

（中國運載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京 100076）

0 引言

1950年，美國人馮·卡門教授與意大利人加布里爾共同提出了著名的“馮·卡門-加布里爾曲線”。該曲線揭示了運載器的運輸效率（運載器重量/拉力）隨運行速度之間的變化規(guī)律，運載器的高速度和高運載效率存在技術(shù)極限。曲線的兩端分別由低速度且高運載效率的火車和高速度且低運載效率的超音速客機占據(jù)；而在速度100km/h~500km/h內(nèi)的氣墊船、水上飛機和輕型飛機的運輸效率都很低。在現(xiàn)有運輸工具和極限曲線之間還存在一片空白區(qū)域（圖 1中的黃色網(wǎng)格區(qū)域），正是這片空白孕育了新型運輸工具——地效翼船，使得大載荷、低成本、快速運輸成為可能。

圖1 馮·卡門-加布里爾曲線

地效翼船，又稱（掠海）地效飛行器或沖翼艇，是利用地面效應(yīng)原理實現(xiàn)超低空高效、高速巡航飛行一種新型翼船。地效翼船是介于飛機、艦船之間的一種新型高速翼船，貼近水面或其它界面飛行，機翼下表面離飛行界面很近，形成氣流阻塞，使機翼升力增加，阻力減少，大幅提高飛行升阻比[1]。地效翼船利用地面效應(yīng)原理飛行，具有載重量大、起降方便、造價便宜、安全性高、水陸兩用等特點，不僅可作為管控海疆的有效工具，還可作為海上救生和海洋石油資源開發(fā)的優(yōu)良運輸工具[2]。目前世界上已有俄羅斯、德國、瑞士、瑞典、韓國、伊朗、美國、中國等十余個國家掌握地效翼船的設(shè)計和制造技術(shù)，其中俄羅斯是唯一實現(xiàn)大型地效翼船列裝部隊的國家。

然而地效翼船的發(fā)展命途多舛，始終未能得到推廣和大規(guī)模應(yīng)用，這其中有過去關(guān)鍵技術(shù)難以突破的原因，同時政治和時局影響也起到舉足輕重的作用。

新世紀(jì)，隨著解決能源危機、開發(fā)海洋資源、發(fā)展海上運輸?shù)刃枨蟮某霈F(xiàn)，地效翼船因其獨特的性能優(yōu)勢再次進入了人們的視野，掀起了新一輪研究熱潮。部分國家已研制成功了用于中、長途客運的民用地效翼船，并取得適航資格[3,4]。

1 主要用途

地效翼船最早是二十世紀(jì)六七十年代，在前蘇聯(lián)國家戰(zhàn)略需求引導(dǎo)下快速發(fā)展起來的。近年來，我國周邊安全形勢特別是海洋安全形勢不斷復(fù)雜化，東海、南海爭端頻現(xiàn)。無論是近期出現(xiàn)的中日釣魚島爭端，還是南海問題，都需要我國具備海島快速到達及現(xiàn)場處置能力。而我國現(xiàn)有飛機及艦船都無法滿足現(xiàn)實軍事需求，如現(xiàn)有大型飛機雖能快速到達，卻無法長時間滯留和開展現(xiàn)場處置；大型水上飛機已經(jīng)服役多年，數(shù)量有限，無法滿足大規(guī)模運輸和長期多任務(wù)的需求；各類艦船受到速度限制無法快速到達，且后續(xù)補給存在困難，無法長期滯留。

隨著美國戰(zhàn)略重心向亞太地區(qū)的轉(zhuǎn)移，未來我國在南海、東海問題上與周邊國家的博弈和摩擦將變得常態(tài)化，不排除發(fā)生局部軍事沖突及對抗的可能性。因此，從現(xiàn)實角度出發(fā)，我國軍事、漁政及海監(jiān)部門急需一種具備海空多航態(tài)、隱蔽、高速及大載運量的高性能先進運輸工具。根據(jù)我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實情況，發(fā)展大型地效翼船是比較合理的選擇。同時，地效翼船還可滿足海島爭端處置、遠程快速投送及后勤保障、海疆巡邏、遠海搜索及救援、反潛、反魚雷作戰(zhàn)應(yīng)用等軍事用途。

2 發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

地效翼船的發(fā)展經(jīng)過了一段曲折的歷程。1932年，芬蘭工程師卡奧爾諸首次進行地效翼船模型的試驗，隨后，包括前蘇聯(lián)、瑞典、德國、瑞士在內(nèi)的多國紛紛開始相關(guān)技術(shù)研究，尤其以前蘇聯(lián)地效翼船研究取得的成就最為突出。前蘇聯(lián)十分重視地效翼船的發(fā)展，加之有里海、黑海等內(nèi)海、大湖作為理想的試飛場所，在地效翼船的設(shè)計、制造方面一直處于世界領(lǐng)先地位，先后研制出20余種型號的地效翼船，其中小鷹、鷂級等型號已經(jīng)裝備部隊使用。俄羅斯在地效翼船中取得的成就引起了國際的廣泛關(guān)注，美國、德國、意大利、韓國、日本、加拿大和中國都積極進行了地效翼船的論證和研制，并取得了一定成果，在中小型地效翼船的設(shè)計和制造中積累了豐富的經(jīng)驗。

二十世紀(jì)末，由于海上斗爭較核對抗、信息爭奪和空中斗爭相對沉寂，加之其發(fā)展過程中也遇到一系列技術(shù)難題，因而，以海上斗爭見長的地效翼船未能成為軍事領(lǐng)域的主要角色。于是，在一些國家縮小武器裝備建設(shè)規(guī)模的過程中，地效翼船等難點項目相繼減緩，其在全球范圍內(nèi)的發(fā)展步伐日益減緩。

2012年1月27日，俄羅斯聯(lián)邦邊防局稱其正在北部城市彼得羅扎沃茨克建立一個地效翼船生產(chǎn)中心，生產(chǎn)獵戶座-20地效翼船，以更好保衛(wèi)其領(lǐng)海。2012年2月，韓國公開了其100座民用地效翼船已進入試航取證階段，不久將進入民用客運運營。

美國研究地效翼船起步也比較早，1964年曾研制出 4.3t的載人試驗機，但進展緩慢，特別是 70年代美國決策大力發(fā)展大型核動力艦船后，對地效翼船的財政支持幾乎完全中斷，使研制工作停頓下來。美國遠景規(guī)劃局曾斥資500萬美元，組織了一個包括航空、船舶、電子、材料以及戰(zhàn)略研究等各行專家在內(nèi)的龐大考察團，對俄羅斯地效翼船進行多方考察，寫出長達幾百萬字的考察分析報告，此后美國國防部又派出代表團赴俄羅斯談判購買地效翼船技術(shù)，但最后美國卻得出“地效翼船沒有發(fā)展前途”的結(jié)論。

德國在掠海地效翼船方面的研究也很有特色，研制了多個系列的地效翼船，有X系列、喬格系列、TAⅧ系列、HW20等。德國的地效翼船走了一條與俄羅斯、美國等國截然不同的發(fā)展之路，更趨向于民用化、小型化和實用化。

伊朗國防部2010年9月28日公開信念2型地效翼船的照片，伊朗軍方稱該型地效翼船對雷達具有隱身能力，伊朗官方電視臺稱其軍方已經(jīng)接受首批三個中隊的地效翼船。

2012年2月，韓國地效翼船最大建造企業(yè)地效翼船重工建造的韓國首艘 50客位地效翼船WSH-500（圖2）進行了首次離水試驗并獲得成功。據(jù)韓國方面介紹，這是迄今為止全球第一艘取得離水試驗成功的50客位地效翼船。該地效翼船已獲得韓政府的運營許可證，初步計劃于4月正式開航，首條航線為群山市的飛龍港至濟州島的愛月港。韓政府曾于 2005年將地效翼船列為該國重點研發(fā)課題，選定了研發(fā)設(shè)計單位和建造企業(yè)，并將該項目命名為韓國的“海上 KTX 項目”。韓國還計劃建造150客位的大型地效翼船WSH-1500，目標(biāo)是開通中國、日本和韓國港口之間的航線，打進國際市場，而中小型地效翼船則用于韓國國內(nèi)觀光和客運。

圖2 韓國50客位地效翼船

我國航空、船舶戰(zhàn)線的科技人員從20世紀(jì)60年代起便開始了對地效翼船技術(shù)持續(xù)多年的跟蹤與研究。經(jīng)過數(shù)十年的努力，解決了地效翼船的一系列關(guān)鍵技術(shù)，在地效翼船的組合翼式總體布局、穩(wěn)定性設(shè)計、水動力布局、水撬-緩沖技術(shù)、動力增升技術(shù)，外載荷預(yù)報技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、新材料研制等方面都取得了突破和較大進展。目前，我國已經(jīng)形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地效翼船設(shè)計技術(shù)，先后研制出信天翁系列、天翼系列、天象系列、天鵝系列和天使鳥系列等多種型號小型地效翼船。

綜合可見，地效翼船經(jīng)過輝煌后的短暫沉寂，又有升溫的趨勢。目前俄羅斯已重啟地效翼船計劃，有消息稱獵戶座-20地效翼船正在彼得羅扎沃茨克建造，它將作為一個未來地效翼船的發(fā)動機、導(dǎo)航設(shè)備和安全系統(tǒng)的試驗平臺。大型地效翼船仍然具有發(fā)展?jié)摿?，但需要克服發(fā)動機、起降穩(wěn)定性、抗大風(fēng)浪性等技術(shù)難題。但大型化、無人化、多功能化無疑已成為當(dāng)今地效翼船的發(fā)展方向。

3 存在問題

盡管地效翼船在使用上具有不可比擬的優(yōu)點，但其也存在一定不足，主要體現(xiàn)在以下四個方面。

1）研制投入較大、周期較長

地效翼船的研制，尤其是大型地效翼船的研制，需要較大的研制經(jīng)費投入和持續(xù)穩(wěn)定的支持。前蘇聯(lián)之所以在地效翼船的研制上取得相當(dāng)?shù)妮x煌成就，與前蘇聯(lián)一心要取得冷戰(zhàn)中的技術(shù)優(yōu)勢以及蘇聯(lián)政府的強有力支持是密不可分的。大型地效翼船的研制是一個系統(tǒng)工程，需要突破一系列的技術(shù)難關(guān)，其產(chǎn)業(yè)化過程中更需要多個部門的支持與配合，同時大型地效翼船研制周期相對較長，需要持續(xù)穩(wěn)定的研制投入[5]。

2）現(xiàn)有地效翼船不能滿足未來軍民需求

我國目前已經(jīng)形成產(chǎn)品的各型地效翼船集中在中小型規(guī)模，載重量小，海情適應(yīng)性低，與高速船、軍事運輸機和水上飛機相比，小型地效翼船不具有絕對的競爭優(yōu)勢。地效翼船與水上飛機、軍用運輸機等相比，最大的優(yōu)勢在于大型地效翼船的大運載能力。我國缺少大型運輸機、水上飛機型號單一，現(xiàn)有地效翼船不能滿足未來大載荷、遠距離快速運輸?shù)男枰?/p>

3）存在關(guān)鍵技術(shù)難點

地效翼船在水面起降，其離水、著水技術(shù)尚需進一步技術(shù)攻關(guān)解決；運行介質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，從水中到空中或從空中到水中；航速高，受波浪作用大，直接影響翼船的安全性和操控穩(wěn)定性；實際飛行中翼船既要從水面進入大氣，又要從大氣進入水面，因此在其氣動布局、結(jié)構(gòu)等設(shè)計、材料選取中需要綜合考慮水、氣兩方面的環(huán)境因素進行設(shè)計，以確保其氣/水兩相流環(huán)境的適應(yīng)性；在遠海上復(fù)雜條件下安全航行方面需解決飛行抗浪性問題；由于波浪的噴濺、撞擊，使翼船的姿態(tài)和運動要素受到影響，結(jié)構(gòu)強度及防腐要求較高；此外，大型地效翼船的動力的選擇也是一項不容忽視的關(guān)鍵技術(shù)難點[6,7]。

4）缺乏相關(guān)的政策法規(guī)

目前地效翼船設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范游離于航空和船舶兩個體系之外，對于這一新興運載工具，國內(nèi)尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的航線規(guī)劃和系統(tǒng)的專業(yè)性規(guī)范。國內(nèi)亟需先行發(fā)展統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范，針對地效翼船的獨特性和特殊性，建立完善的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和適航法規(guī)，這將為推動地效翼船的研制工作產(chǎn)生積極作用。

4 未來發(fā)展趨勢

綜合地效翼船發(fā)展歷程，未來地效翼船需要提供更大的有效運載量、更遠的航程以及更好的海況適應(yīng)性，其研發(fā)首先需要提高動力系統(tǒng)的性能。動力系統(tǒng)方案首先應(yīng)采用現(xiàn)有技術(shù)較為成熟的航空發(fā)動機并針對航行工況進行適應(yīng)性改進，增加氣水隔離裝置，提高船體抗腐蝕能力。同時應(yīng)開展混合動力、核動力等新型動力應(yīng)用于地效翼船的可行性研究，在其獲得關(guān)鍵技術(shù)突破后，逐步考慮應(yīng)用于地效翼船，作為未來地效翼船的動力系統(tǒng)選擇之一。

現(xiàn)有地效翼船起飛用的航空發(fā)動機在巡航狀態(tài)往往成為負重，降低地效翼船的航行效率，新型先進地效翼船需要重點研究動力系統(tǒng)簡化。通過研發(fā)混合動力系統(tǒng)，可在地效翼船起飛過程采用火箭發(fā)動機助推，巡航過程采用航空發(fā)動機推進的混合動力系統(tǒng)。充分利用火箭發(fā)動機推力大、比沖高的優(yōu)點，有效減少起飛用發(fā)動機的數(shù)量和質(zhì)量，極大地簡化動力裝置。目前，國內(nèi)火箭發(fā)動機已具備獨立自主研制的能力，并且逐漸發(fā)展無毒無污染、重復(fù)使用的火箭動力系統(tǒng)，因此具備應(yīng)用于飛機、船舶等裝備的技術(shù)基礎(chǔ)。以組合動力和核動力為代表的新型動力技術(shù)目前尚不成熟，但應(yīng)用潛力較大。

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