淺談地面效應(yīng)在汽車上的應(yīng)用

熊江文　張圣東　程海萍　黃強

摘 要：地面效應(yīng)是基于仿生學(xué)原理進而產(chǎn)生的一種理論，學(xué)者通過觀察、研究鳥類近水或近地長距離滑翔時極少煽動翅膀的現(xiàn)象，從而獲得靈感，將地面效應(yīng)應(yīng)用到汽車領(lǐng)域，不僅很好的解決了汽車能耗問題，提高了汽車經(jīng)濟性，

而且具有極好的環(huán)保效用。關(guān)鍵詞：地面效應(yīng)；汽車；仿生學(xué)；低能耗

1 引言

當(dāng)機翼貼近地面飛行時，由于機翼下表面與地面之間的氣流阻塞作用，使得機翼升力增大，阻力下降，這種升阻比急劇增大的現(xiàn)象稱為機翼地面效應(yīng)。正是由于機翼地面效應(yīng)的作用，近地面或近水面飛行器具有優(yōu)良的經(jīng)濟性，較之其它飛行器有更大的經(jīng)濟優(yōu)勢。[1-4]

利用地面效應(yīng)的優(yōu)勢，地效飛行器應(yīng)運而生，從產(chǎn)生地效的原理上，地效飛行器可分為靜升類地效飛行器和動升類地效飛行器。

氣墊船是靜升類地效飛行器的典型代表，氣墊船與地面或水面之間存在一層壓縮空氣，壓縮空氣形成氣墊將氣墊船與地面或水面進行隔離，減小了兩者間的摩擦力。在氣墊船上有專門的動力裝置負(fù)責(zé)向船體下吹風(fēng)，以便形成氣墊，整個船體靠此氣墊升離地。有另外一套動力驅(qū)動裝置，使船獲得向前的動力。

動升類地效飛行器的典型代表是地效飛機。這類飛機在外形上更像一般的飛機，在產(chǎn)生地效作用起飛之前必須有動力裝置為其提供向前的速度。當(dāng)飛機貼地飛行時，消耗很少的功率便可獲得較大的升力。

后來將地面效應(yīng)應(yīng)用到汽車領(lǐng)域，不僅使汽車獲得了良好的速度特性，而且解決了汽車領(lǐng)域的能耗問題和環(huán)?，F(xiàn)狀。美、蘇、法、德、英、日等國，在上世紀(jì)六七十年代均對地效飛機做過相關(guān)研究，其中最為成功和較早將地面效應(yīng)成功應(yīng)用到飛機的是前蘇聯(lián)，在 60年代前蘇聯(lián)研制的“母鷂”式地效飛機，飛行時距離地面 7～15米，最大載客 900人，最大時速達(dá) 550千米。

地效飛行器所展現(xiàn)的優(yōu)良性能，使它備受國內(nèi)外學(xué)者的青睞和關(guān)注。尤其是以俄國為領(lǐng)頭羊的科研團隊，俄國自前蘇聯(lián)時期便開展了此項研究，科研實力和基礎(chǔ)雄厚，發(fā)展迅速。其他國家美、德、英、日和澳大利亞等也在這方面做出了卓越成果，各國間的競爭角逐非常激烈。因此，它已成為當(dāng)代最重要的軍民兩用高科技項目之一 [5]。

2 地面效應(yīng)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

眾所周知，火車雖然速度很快，但其也有缺陷：多數(shù)火車，如高鐵、動車、城際動車等須運行在預(yù)先鋪設(shè)好的鐵軌上。假若火車運行過程中不需要鐵軌，那么火車與鐵軌之間則不存在摩擦力，這將大大降低火車能耗損失，有助于提高能源利用率和提升車速。目前，我國在磁懸浮列車上已成功實現(xiàn)了鐵

軌與火車之間的零摩擦力，但是由于運營成本過高，無法在全國實現(xiàn)。

基于以上問題，日本提出了利用地面效應(yīng)研發(fā)“飛行火車”[6]，如圖 1所示。

由菅原游助率領(lǐng)的團隊，在日本東北大學(xué)，嘗試?yán)玫孛嫘?yīng)原理研制“飛行火車”。所謂飛行火車即為一種新型汽車，利用車身上的螺旋槳和機翼為車提供推力和升力。在機翼的作用下，車與地面之間形成一層空氣墊，車與地面的摩擦力大大降低，有望實現(xiàn)車的超高速性能。同時，車輛行駛穩(wěn)定性也是一項關(guān)鍵技術(shù)，在保證車輛高速運行過程中，防止側(cè)翻也是一項需要重點研究的內(nèi)容。

在我國利用地面效應(yīng)設(shè)計、建造汽車起步較晚。目前，在日本東北大學(xué)的主導(dǎo)下，重慶理工大學(xué)的賴晨光團隊利用地面效應(yīng)原理，研究的氣動懸浮列車是一種新型高效率的地效飛行器。由于這種地效飛行器的特殊性，它既不近水面飛行又不在高空飛行，而是貼地飛行，所以尚無針對它的機翼設(shè)計及

機翼翼型，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者參考其他機翼翼型，通過優(yōu)化法得到優(yōu)化后的機翼翼型。國內(nèi)重慶理工大學(xué)的賴晨光 [7]團隊以 LA203A為基礎(chǔ)翼型通過遺傳算法優(yōu)化得到的新翼型 LA203A-1開展研究，建立了 LA203A-1三維數(shù)值模型，利用計算流體力學(xué)方法對其地面效應(yīng)下的流場以及氣動特性進行研究。

3 結(jié) 語

地面效應(yīng)對飛行器的利處在于高效率地

提升飛行器的升力，誘導(dǎo)阻力大大減小，飛

行器的升阻比隨之大幅度降低；任何事物都

有其兩面性，地面效應(yīng)對飛行器同樣存在不

利影響，在飛行過程中飛行器的俯仰力矩特

性會受到嚴(yán)重影響。在起飛和著陸階段，飛

行器的穩(wěn)定性將受到很大影響。

利用空氣動力學(xué)原理和地面效應(yīng)設(shè)計研

發(fā)的氣動懸浮列車與所有飛機一樣，這種列車也面臨著機翼傾斜、搖晃和擺動問題，導(dǎo)致底部很難與地面保持平行。

同時，由于氣動懸浮列車車速高，摩擦力小，所以制動是一項亟待解決的問題。

論文得到國家自然科學(xué)基金（NO：51566004）和江西省高等學(xué)校科技落地計劃項目（NO：KJLD14093）資助。

參考文獻(xiàn)：

[1] Kohama Y. Mechanical Civilization Induced Earth Pollution Problem and Aero-Train[J].Trans. of the Japan. 2005， 71（707）： 1733-1737.

[2] Kohama H， Tomaru Y. Wind-Tunnel Investigation of Aerofoil for Wing in Ground Effect[J]. Nagare. 1991（10）： 47-60.

[3]秦緒國，劉沛清，屈秋林，等 .多段翼型地面效應(yīng)數(shù)值模擬與分析 [J].航空動力學(xué)報. 2011（4）： 890-896.

[4]惲良，鄔成杰，謝佑農(nóng) .動力氣墊地效翼船的流體空氣動力性能研究 [J].中國工程科學(xué). 2000， 2（4）： 48-52.

[5]崔爾杰，韓光維 .地面效應(yīng)空氣動力學(xué)研究： 2003空氣動力學(xué)前沿研究研討會 [Z].2003，1-7.

[6] 劉霞. 日利用地面效應(yīng)研發(fā)“飛行火車”：科技日報[Z]. 2011，1.

[7]賴晨光，閻志剛，任渤麒，等 .單向翼地面效應(yīng)下的氣動特性分析 [J].重慶理工大學(xué)學(xué)報 （自然科學(xué)）. 2016（02）： 1-5.