地效飛行器發(fā)展綜述

羅戰(zhàn)虎

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2102-5640-4215

摘? 要：本文介紹了地效飛行器的基本概念和原理，簡述了地效飛行器國內外發(fā)展現(xiàn)狀及各國學者、科研人員在地效飛行器各領域的研究進展;通過對已有地效飛行器型號的統(tǒng)計，對地效飛行器主要氣動布局形式和特點進行總結和分類，分析了地效飛行器在軍民用領域可能的用途、制約地效飛行器發(fā)展的主要因素等;并指出在當今社會，傳統(tǒng)飛行器與船舶領域基本成熟的情況下，地效飛行器作為一款跨界產品，兼具飛機的高速性和船舶的經濟性，其有望在今后一段時期進入快速發(fā)展期。

關鍵詞：地效飛行器? 布局? 應用領域? 關鍵技術? 發(fā)展前景

中圖分類號：V271.9 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0017-07

A Review of the Development of Wing-In-Ground（WIG） Aircraft

LUO Zhanhu

（ China Special Vehicle Research Institute， Jingmen， Hubei Province， 448035 China）

Abstract：This paper introduces the basic concept and principle of Wing-In-Ground（WIG） aircraft， briefly describes the development status of WIG at China and other countries， and the research progress of scholars and researchers in various fields of WIG; through the statistics of existing WIG products， summarizes and classifies the main aerodynamic layout forms and characteristics of WIG aircraft， and analyzes the possible applications of WIG in military and civil fields. It also points out that in today's society， when the field of traditional aircraft and ship is basically mature， WIG， as a cross-border product， has both the high speed of aircraft and the economy of ship， and is expected to enter a period of rapid development in the future.

Key Words： WIG craft; Layout; Application field; Key technology; Prospects for development

飛機在起飛、降落和貼近地面飛行時，會出現(xiàn)一種附加升力，這種現(xiàn)象被稱為“地面效應”（Ground Effect）。自20世紀30年代起，人們逐漸開始通過各種模型試驗，試圖研制一種能充分利用空氣動力學地面效應原理進行飛行的飛行器，由此，便誕生了如今人們所熟知的地效飛行器。從地效飛行器誕生以來，幾乎所有已知的地效飛行器都被設計為貼近水面飛行（150m以下），因此，在民用領域，一般將之稱為“地效翼船”。

隨著科學技術的進步和發(fā)展，俄羅斯、美國、德國、中國、韓國、日本等許多國家相繼開展了大量的地效飛行器技術研究與型號研制工作，其中，俄羅斯在地效飛行器領域始終處于國際領先地位，其于20世紀60年代至今先后研制出了30多個地效飛行器型號[1-6]，其中“里海怪物”KM型地效飛行器更是至今為止最大的地效飛行器。隨后的近30年里，因其在軍民用領域的定位不明晰、環(huán)境政策等各種因素影響，地效飛行器始終沒有得到很好的發(fā)展，但世界各國尤其是中國對其相關研究工作從未停止。周穎、丁一文、伍塞特等分別從地效飛行器的戰(zhàn)略和軍民用用途方面進行了分析與研究[7-9];曹楷、路容斐等進行了串列式、盒式翼等新概念地效氣動布局方面的研究[10-11];張思煜、胡喚等開展了地效翼船氣動特性的數(shù)值分析研究[12-13];Huu Khoa Tran、何思元、陳利、Fu Mingyu、羅瑜等人在地效翼船的飛行控制方面進行了較深入的研究[14-20]。

我國從20世紀60年代開始研究地效翼船，經過40余年的努力，如今已掌握地效飛行器氣水動布局匹配設計技術、飛行穩(wěn)定性于控制技術、動力增沖技術、高抗浪船體設計、結構與腐蝕防護設計技術等相關的核心技術，如中國特種飛行器研究所、中船702所等單位都相繼成功地研制出一些性能良好的地效飛行器，并逐步向實用化和大型化迅速發(fā)展，成為在該研究領域的主要力量之一。

本文將通過對自地效飛行器誕生以來的國內外各類地效飛行器的發(fā)展情況進行統(tǒng)計分析，對地效飛行器相關情況進行系統(tǒng)性的總結與闡述，以期對廣大地效飛行器科研工作者了解地效飛行器有所幫助。

1? 地效飛行器國內外發(fā)展現(xiàn)狀

自從1932年芬蘭人“卡里奧”設計了世界上第一架地效飛行器以來，地效飛行器的發(fā)展主要經歷了4個階段：第一階段為20世紀30年代至60年代，以地效原理、地效飛行器氣動布局設計與試驗為主的探索時代;第二階段為20世紀60年代到90年代“冷戰(zhàn)時期”，以俄羅斯為代表的大型軍用地效飛行器發(fā)展時代;第三階段為20世紀90年代至2005年代，以關鍵技術攻關、小型民用地效飛行器商業(yè)化應用探索為主的應用探索時代;第四階段為2005年至今，隨著高技術產業(yè)群的迅猛發(fā)展，大中小型地效飛行器的研制技術逐漸趨于成熟，軍民用地效飛行器全面開發(fā)時代已經具備條件。目前，許多國家都在積極探索和發(fā)展軍民用地效飛行器，其中主要的國家有俄羅斯、美國、德國、澳大利亞、日本、英國、中國等。

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

俄羅斯在大中型地效飛行器的研制方面處于世界領先地位，自20世紀60年代開始，先后研制出30多種型號、近百架的大、中、小型機型投入軍民用領域使用。典型產品有“小鷹”“雌鷂”“雨燕”“伏爾加”等，近年來，俄羅斯又提出了別-2500 超重型地效飛行器，引起廣泛關注。其設計最大起飛重量為2500t，最大載重1000t，相當于10架美軍 C-17“環(huán)球霸王”運輸機的運力總和。截至2007年，俄羅斯已經造出兩架別-2500試驗機，該機體型巨大，翼展156m，機身長123m，高空飛行速度可達800km/h，最大航程17000km，其將主要用于跨大西洋和跨太平洋航線運輸。

美國自俄羅斯研制的“里海怪物”地效飛行器曝光后，也開始著手進行地效飛行器的開發(fā)工作，主要有小型地效飛行器樣機GME-1、GME-2和GME-3，100t級“哥倫比亞”號地效飛行器方案，1000t級的“大韋蘭德號”地效飛行器方案，以及用于跨洋運輸用載重量1270t的“鵜鶘”號巨型地效飛行器概念設計方案。

德國在地效飛行器方面的研究很有特色，其走了一條與俄羅斯、美國等國截然不同的發(fā)展之路，它們更趨向于民用化、小型化和實用化地效飛行器的研制，已成功研發(fā)了多個系列的產品，包括X系列、TAF系列、AF系列等[21]。

韓國為了開發(fā)地效飛行器這一新領域，自1995年從俄羅斯引進技術后，也開展了大量的研究工作，目前研制成功的產品有ARON公司的M-50、M-80系列小型地效飛行器以及WINGSHIP重工業(yè)公司的WSH-500中型地效飛行器。

其他如意大利、日本也相繼研制出了部分小型地效飛行器，但未有太大進展。

1.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀

我國的地效飛行器研制起步于20世紀60、70年代，有多家航空和船舶科研機構以及民營企業(yè)共同進行這方面的研究，而且取得了一定成績，積累了較豐富的經驗。

我國從事地效飛行器開發(fā)的單位主要有中國特種飛行器研究所（605所）、中船702所、中船708所等科研機構以及鄭州海王、海南英格等一些中小型民營企業(yè)。迄今為止，國內已成功研制出10余種不同類型的小型實用型地效飛行器，典型產品有“天翼1號”“信天翁”系列“天使號”“翔洲1號”等。

2? 地效飛行器氣動布局形式與特點

根據(jù)表1～表2的統(tǒng)計分析，國內外已有或正在研制的地效飛行器主要氣動布局形式可分為串翼式、槽流式、飛機式、利比希式、雙體式、飛翼式、氣墊式、盒式翼等8類（見圖1）。

2.1 串翼式

串翼式地效飛行器是鴨式氣動布局的一種變形，由機身和機翼翼面幾乎相同的前后兩個機翼組成，前翼安裝角比后翼大。

2.2 槽流式

槽流式地效飛行器設計比較簡單，主要由帶端板的機翼、尾翼、機身和動力裝置組成，采用在地效區(qū)內飛行高度變化時壓力中心移動很小的薄拱弧形翼型和柔性蒙皮翼面。

2.3 飛機式

飛機式地效飛行器是大型地效飛行器的主要布局形式，一般采用小展弦比下單翼和高置平尾布局，機身采用多斷接船體，及采用動力增沖技術實現(xiàn)短距起降。

2.4 利比希式

利比希式地效飛行器是一種飛機式地效飛機的特例，它采用倒三角、下反機翼布局，由德國利比希博士發(fā)明。其特點是在離水過程和各種高度飛行時壓力中心移動較少，氣動特性優(yōu)良。

2.5 雙體式

雙體式地效飛行器綜合了串翼式和槽流式機翼布局的特點，端板就是機身，中間有小展弦比機翼作為主要升力面。

2.6 飛翼式

飛翼式地效飛行器采用機身機翼一體的布局方式，該類布局地效飛行器具有比較好的性能和經濟性，其有效載重量比一般的地效飛行器大很多。

2.7 氣墊式

氣墊式地效飛行器是氣墊船與地效飛機的結合體，其主要特點是可在水面、地面、草地等平坦區(qū)域起降，同時也可將機翼拆除后以氣墊船形式使用。

2.8 盒式翼式

盒式翼式地效飛行器屬于閉合式非典型機翼布局，與常規(guī)布局相比，該類布局可在保持等效升力的情況下，大大降低誘導阻力，從而有效提高飛行器的氣動效率，升阻比較高。

3? 地效飛行器應用領域分析

3.1 軍事領域

超低空領域在軍事上無論是攻擊還是防御手段目前基本處于空白，而地效飛行器的超低空飛行特性，決定了它在該領域有著不可替代的優(yōu)點和發(fā)展價值。

3.1.1 兩棲登陸作戰(zhàn)

可實現(xiàn)水上登陸和由岸下水，同時，利用其特有的動力氣墊，可減少在風浪中起降時受到的沖擊，提高起降時的耐波性能。它不僅可在水面航行，也可以在沙灘、沼澤、雪地、冰上航行?？奢p松地飛越敵方布設的反登陸和灘頭障礙，有效完成搶攤登陸的任務。

3.1.2 海上兵力運輸

可承擔復雜地形和海況下兵員裝備的大規(guī)模運輸，快速完成兵力投送和部署。

3.1.3 立體投送

也可裝配武器系統(tǒng)用于低空突擊，還可遂行多種支援和作戰(zhàn)保障任務。

3.1.4 水面機動攻擊

可從水面和水上隱蔽地發(fā)起對海與對陸的精確打擊。

3.1.5 海面機動預警平臺

可將岸基預警雷達進行一定的改裝設計，安裝到大型地效飛行器平臺上，形成可在海面靈活機動的移動式預警平臺，在需要時快速機動至指定海域停泊進行預警監(jiān)視;或多機聯(lián)合，形成機動式預警網絡，擴大海軍預警防御圈。

3.1.6 ?；鶎棸l(fā)射平臺

可擔負戰(zhàn)略導彈的核打擊使命，同時也可執(zhí)行戰(zhàn)術導彈的常規(guī)打擊任務。作為導彈等武器平臺，攜帶反艦導彈，可實施對海攻擊、搶灘登陸和野戰(zhàn)救援。

3.1.7 地效航母

將起飛重量5000t以上的地效飛行器作為艦載機停放與起降平臺，形成機動能力超強，環(huán)境適應性良好的輕型航母。

3.1.8 移動式艦載機起降平臺

將地效飛行器作為移動式起降平臺，與輕型艦船組成分散式遠洋艦隊，形成類似航母的戰(zhàn)斗群。

除此以外，地效飛行器還可承擔偵察反潛、警戒巡邏、排雷破障、布雷設障、搜索救援、醫(yī)療保障等很多任務。

3.2 民用領域

地效飛機作為一種新型水面交通工具，在安全性、經濟性、快速性、舒適性方面有其獨到的優(yōu)勢，決定了它在民用領域也有很大的發(fā)展空間。

3.2.1 水面客運服務

世界各國有很多適合地效飛行器運營的航線，例如馬爾代夫、印尼等國海域環(huán)境良好，非常適合地效飛行器運營，印尼更是計劃建立“海上高速公路”，地效飛行器無疑是一種非常適合的交通工具。

3.2.2 島嶼間快速物流

隨著網絡購物的快速發(fā)展，人們對物流的要求也在不斷提高，一些生鮮類產品的物流運輸，對運輸速度提出了較高的要求，而如今島嶼間快速運輸是一大難題，而地效飛行器恰恰可以滿足這些要求。

3.2.3 海面搜救

在發(fā)生海難時，現(xiàn)有的救援力量大多是飛機或救援船。飛機雖然速度快，但只能投放一些救生圈之類的簡單東西，而這些東西在風浪大的海面上幾乎是沒有用處的。救援船由于速度太慢，無法及時趕到救援地點。地效飛行器作為海面搜救工具，兼具飛機和救援船的有點，是一種有效的搜救工具。

此外，地效飛行器還可用于海洋巡邏執(zhí)法、環(huán)境監(jiān)測、極地科考物資運輸與保障等。

4? 制約地效飛行器發(fā)展的主要因素

地效飛行器經過了近半個世紀的發(fā)展，也取得了一些豐碩的成果，但至今為止，其仍未得到廣泛應用，究其原因，筆者認為，主要有以下幾個方面。

4.1 定位不清晰，未找到能真正發(fā)揮其特長的應用領域

20世紀末，由于海上斗爭與核對抗、信息爭奪、空中斗爭相比，處于相對比較低沉的階段，因而，具有海上斗爭優(yōu)長的地效飛行器，作為一種武器手段，并未像核武器、信息技術和空中力量一樣，成為軍事領域的主要角色，而在其發(fā)展過程中也確實遇到了一系列技術難題，一些國家因經費問題，走重點發(fā)展之路，因此將地效飛行器等“難點項目”下馬。同時，由于地效飛行器屬于?？湛缃绠a品，因其歸口管理定位不清及其他政治因素影響，使其發(fā)展始終處于非主流的尷尬局面，這些種種原因，使得地效飛行器在全球的發(fā)展步伐減緩下來。

如今，在民用領域，地效翼船的定位已基本明晰，其由海事部門歸口管理。其在水面快速客貨運輸、島嶼間快速物流、水面搜救、旅游觀光等方面的優(yōu)勢也已經受到業(yè)內廣泛認可，有望在該領域發(fā)揮其應有的作用。

4.2 法律法規(guī)限制，無成熟的可實施的相關標準和法規(guī)

地效飛行器作為一種有別于傳統(tǒng)艦船和飛機的特殊產品，因其貼近海面高速飛行的特性，使其對海面運營環(huán)境和氣象環(huán)境都提出了特殊要求，而目前無論是設計檢驗還是運營安全方面，相關的法律法規(guī)還比較欠缺，中國船級社雖然于2008年編制完成了GD13-2007《地效翼船檢驗指南》，用以指導地效翼船的設計和檢驗，但遠遠不能滿足地效飛行器商業(yè)運營要求。這對民用地效飛行器的發(fā)展形成了制約。

如今，國際海事組織（IMO）已經于2019年發(fā)布了《地效翼船指南》（MSC.1-Circ.1592），同時，中國海事局也在2020年11月組織評審并通過了《地效翼船技術與檢驗暫行規(guī)則》，這些法規(guī)的制定，將有力的推進民用地效翼船的發(fā)展。

4.3 部分關鍵技術仍未得到有效解決，使用范圍受限

地效飛行器因需要長期在海面運行，從而對其海洋環(huán)境適應性提出了較高要求，而現(xiàn)有技術成熟度尚不能完全解決相關問題。要真正實現(xiàn)其在軍民用方面的價值，滿足海洋運輸?shù)葢眯枨?，還需要進一步提供其海洋環(huán)境適應能力，解決起降高抗浪能力、自主控制技術、超輕結構設計技術、發(fā)動機腐蝕防護技術等方面關鍵技術。

5? 結語

雖然地效飛行器的發(fā)展受到諸多因素的限制，但近年來，因技術進步、各國海洋戰(zhàn)略調整及相關民用法律法規(guī)的不斷完善，世界各國對軍民用地效飛行器的發(fā)展熱情正不斷提高。

軍用方面，隨著世界局勢的不斷發(fā)展以及我國海洋強國戰(zhàn)略的實施，以及我國與周邊國家的海洋局勢不斷地復雜化，都暴露出我國現(xiàn)有海洋軍事力量的不足，如中日釣魚島爭端、南海爭端等，都需要具備海島快速到達及迅速現(xiàn)場處置的能力。而常規(guī)飛機受到機場、航程、運載能力等方面的限制，各類艦船又速度太慢。所以從目前的實際情況出發(fā)，我國的軍事、海監(jiān)、漁政等部門迫切需要一種具備多種運行狀態(tài)、高速、隱蔽及大載運量的高效運輸工具，大型地效翼船將會是滿足這些需求的一種非常合理的選擇，其一旦被成功研制，將大大提升我國海軍的威懾力，加強我軍對我國領海的控制權。

民用方面，隨著人們對海島資源的大量開發(fā)，人們也迫切需要一款可以在海面快速通行的工具，滿足日?？瓦\和物流運輸需求;而近年來，國家海事局已經加快了相關標準和法律法規(guī)的建設，這也將極大的促進民用地效飛行器的發(fā)展和應用。

關鍵技術攻關方面，近年來在先進氣動布局、地效飛行器穩(wěn)定性與控制技術、高抗浪地效飛行器設計技術、腐蝕防護技術等方面逐漸取得較大突破，已經完成了一定的技術儲備，具備各類地效飛行器的研制條件。

可以預見，在當今社會，傳統(tǒng)飛行器與船舶領域基本成熟的情況下，地效飛行器作為一款跨界產品，兼具飛機的高速性和船舶的經濟性，隨著相關政策與法規(guī)的出臺，其有望在今后一段時期進入快速發(fā)展期。

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