国内地效飞行器的研制现状及其发展方向

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1、国内地效飞行器的研制现状及其发展方向1定义陈小弟(国际船艇)杂志社北京100081)目前,对于地效飞行器还没有一个统一和规范的名词术语,在不同的文献和资料中出现许多种不同的术语,如地效翼船,地效飞行器,掠海地效翼船等.其实,争论的焦点在于它究竟是应该被称为船,还是应该被称为飞机.从运行工况来看,它当然应该被称为飞机;但从它在水面上的运行工况来看,似乎又应该被称为船.如果将它称作地效翼船,地效应船或者飞船,那么就将它看成是船舶了,这当然不对.但是,也不能称它为飞机,这是由于飞机是在天上飞的,存在一个高度问题.目前,国内的某些研究单位和公司将它称作地效飞行器,应该是比较科学的.”地效”二字表明了这

2、种运输工具的原理和特点.同时,由于在它的运行过程中有很大一部分时间都处于飞行状态,只有起飞,降落阶段是处于水中航行状态.应当用”飞行”二字来表述它的工况特点.但由于它在利用地效原理以及掠地面飞行的工况特点方面都是与飞机不相同的,所以,不能称它为”飞机”,以免产生混淆与误解.2国内地效飞行器的研制现状目前.世界上开发地效飞行器的国家主要是俄罗斯,德国和中国.俄罗斯沿袭前苏联的成熟技术,正在向军用,大型化方向发展.德国则主要发展小型的旅游用地效飞行器.中国则在发展军用地效飞行器的同时,在民用地效飞行器方面也一直在努力地进行着不“:鼍:?:中外船舶科建垂爹i:=.:?:断的探索.俄罗斯专家曾对我国崔

3、尔杰院士表达过他的观点:”看来,民用地效飞行器将会首先在中国实现.”中国的地效飞行器开发研制工作自20世纪60年代在无锡702所启动至今,已走过了30多年曲折,艰辛的历程.中国的地效飞行器开发研制工作能发展到今天这个地步,凝聚了整整一代人的智慧与努力.正如业内专家陈东在前不久召开的地效飞行器联谊会上所说的那样,”要向一切投身于中国地效飞行器发展和关心支持地效飞行器发展的人们表示深深的谢意.”1999年,我国海军郑明少将曾经写过一篇题为“中国地效翼船比翼三飞”的文章.但如今中国开发研制地效飞行器的单位已有十几家之多,以至于有的专家说”现在是比翼十一飞,十二飞”.在这些单位中,从所有制形式来看,有

4、国有单位,股份制公司以及民营企业;从单位性质看,有研究院,专业化开发公司,航空航天系统的单位以及船舶系统的单位;从设计建造与使用角度来看,有设计单位,建造单位,也有运营企业.更重要的是,现在已经有了一家进行实船营运的公司浙江湖州地效飞行器有限公司,公司拥有3艘地效飞行器:天翼I号,天象I号,天象II号(即俄罗斯的伏尔加号).其中的天象I号已飞行了657次,共计516小时(客运飞行占47.7%,表演24.3%,训练28%),已有5000多人次乘坐;天翼I号已营运了758次,飞行了109次,共计58.43小时(客运飞行占24.5%,训练54.4%,表演21%).它们将在中国地效飞行器的发展史上留下

5、浓重的一页.公司将地效飞行器投入实船运营,取得了大量民用地效飞行器营运的=:菇:囊要芋2毫.中外船舶科技.=:=骜塞经验,在驾驶员培训,地效飞行器的维修保养以及地效适航性等都将产生革命性的飞跃,能进一步拓展地效飞行器的营运等方面取得了大量的第一手资料,为地飞行器的军事或民用应用领域和市场空间.效飞行器的运营进行了有益的探索.目前,各开发研制单位都在进行几十至几百座位从建造材料来看,涉及到铝合金,玻璃钢复合材料地效飞行器的开发工作.无锡702所推出了面向市场等材料的使用;从已有的船型来看,既有单一形式的地的5座至48座地效飞行器;上海快安飞船研究所完成效飞行器,也有气垫两栖型地效飞行器;从使用区

6、域来了3O座及100座地效飞行器的技术设计;北海达洋翼看,既有内河湖泊水域用的,也有沿海水域用的;从用船公司则对30座,50座,110座地效飞行器进行了方途来看,既有民用的,也有工务用艇.案论证;广州天象公司分别对50座至几百座地效飞行目前,国内的地效飞行器技术正在向以采用组合器进行了预研,其50座地效飞行器项目已于2001年机翼系统为关键技术的第二代地效飞行器方向发展.正式启动,100座以上的地效飞行器也已完成了初步无锡702所,北海达洋翼船公司等都在进行这方面的设计.相信在不久的将来,根据市场的反馈情况,将有研究.第二代地效飞行器的设计以组合式机翼作为主第一批实用的地效飞行器投入运营.要标

7、志,将第一代的地效机翼与飞机机翼完美地结合表1列出了国内开发研制地效飞行器的11家单在一起,因而不仅可使地效飞行器在地效区内航行时位及其所开发的产品,国内各种地效飞行器的资料照更加有效,而且在表面效应较弱时,仍然能保持足够的片以及相关设施示于图1.升力,仍可象飞机一样升空飞行,故其机动性,安全性,表1国内开发研制地效飞行器的11家单位及其所开发的产品(a)天翼I号(b)灭鹅号髓陆(c)天鹅号掠海飞行(d)天鹅号下水3中外(e)xTw一1型地效飞行器(f)太湖地效飞行器有限公司的机库(g)北海达洋翼船公司开发的第二代地效飞行器概念图图1国内各种地效飞行器的资料照片以及相关设施3国内地效飞行器的发

8、展方向3.1两大流派强强联合目前国内有十几家开发研制地效飞行器的单位.这些单位可分成两大流派,即航空系统单位及造船系统单位.前者有广州天象,航空部605所,中国科技开发院,常飞,上飞,航天部701所等单位;后者有702所,708所,快安所,北海达洋,求新船厂等单位.由于地效飞行器飞行时的工况条件与飞机相似,而在水中航行时的工况条件与船舶相似,而目前地效飞行器的开发研制工作却是航空系统的单位与船运系统的单位分别独立地进行,两大系统的单位均有各自的局限性.造船系统的单位可能对空气动力学方面的了解熟悉程度要差一点,而航空系统的单位可能对水流体力学以及材料防腐等领域并不在行.各自分别独立开发的结果很有

9、可能研制不出一种非常完善的产品,可能这种型号产品的飞行性能好,而另一种型号产品的水中性能好.在地效飞行器的建造方面也存在一个很明显的特点,即几乎所有型号地效飞行器的总装或分段建造工作,均有飞机制造厂参与.显而易见,这是由于飞机制造厂具有这方面的独特优势,过去如此,今后也必将如此.另外,在地效飞行器所使用的发动机方面,目前几乎均采用进口的发动机,使地效飞行器的建造成本很高,这就需要有航空系统的单位参与,开发研制专门用于地效飞行器的国产航空发动机.由于地效飞行器的起飞,降落都是在水面上进行的,这就需要造船系统的单位参与,解决地效飞行器的线型优化,提高水中航行性能的问题.如果地效飞行器进行掠海飞行,

10、则材料的防腐问题也是很重要的,无论是发动机还是船身,都需要采用防腐措施,在这方面,船舶系统的单位有很丰富的经验.航空系统单位的优势在空气动力学,造船系统单位的优势在船体线型的优化与防腐,所以,在开发研制地效飞行器问题上,两大系统的有关单位应该联合起来,实现优势互补,强强联合,形成几个有实力的研发,制造集团.3.2开展有针对性的开发研制工作开展地效飞行器的开发研制工作应该确定一个明确的发展方向,应针对不同型号地效飞行器的特点,分别确定发展方向.要针对不同的用途,开发相应的产品,各家公司应分别有所侧重,避免重复工作,浪费资源,加快地效飞行器的开发研制进程.3.2.1军用产品与民用产品笔者认为,在开

11、发研制地效飞行器的进程中首先应避免各单位相互之间的重复工作,各单位应根据自身的优势,明确本单位开发研制的产品方向,避免一哄而上,造成大家都上民品或大家都上军品的局面.另外,应根据我国的国情以及地效飞行器的特点,确定军用地效飞行器及民用地效飞行器的应用目标,从而确定军用或民用地效飞行器的研制方向,少走弯路.笔者认为,在军用地效飞行器的开发研制工作中,应根据地效器的特点,重点开发大吨位的导弹艇与中等吨位的登陆艇.其中,在军事上最有应用前景的是地效导弹艇,应该列为主要的开发研制方向.地效导弹艇可以实现超视距攻击;它与飞机相比,由于可贴近海面飞行,具有隐身性能;与船舶相比,又具有高速性能.因此,地效导

12、弹艇充分地利用了地效飞行器的特点,能够在军事应用方面有所作为.其次,与一般的登陆艇或气垫船登陆艇相比,地效登陆艇具有特有的速度方面优势,在军事应用方面还是有一定应用前景的.但对地效飞行器在缉私艇或巡逻艇等方面的应用而言,一方面由于目前地效飞行器的速度约在150km/h左右,与目前大功率走私小艇的速度相比仅快了50%,在速度上的优势并不明显;另一方面由于地效飞行器贴着海面飞,飞得又不是很高,离水面也就那么几米高度,用它来对付武装的走私快艇是有很大危险性的.此外,在缉私艇或巡逻艇等应用方面还存在机动性差,靠泊和转乘困难等难以解决的问题.因此,笔者认为开发地效缉私艇或巡逻艇是不合适的.在民用地效飞行

13、器的应用方面,笔者认为,象目前湖州地效器公司将几座地效飞行器作为旅游工具并不是地效飞行器所应该承担的任务.正如一位外国游客所说的,他乘坐地效飞行器仅仅只是因为新奇.但由于地效飞行器基本上是贴着水面飞行,飞行高度不高,视野并不大.如从旅游观光角度来看,采用水上飞机反而更好.与地效飞行器相比,水上飞机的经济性好,噪声小,速度快;水上飞机的飞行高度又可以达到几百米,不仅可以贴着水面飞行,还可以飞到城市上空去看一看.所以,笔者认为,将地效飞行器用来供观光旅游使用也是不合适的.在发展地效飞行器在客运市场的使用方面,发展5080客位的地效飞行器客船比较合适,最大不应超过100客位.如开发几百客位,上百吨的

14、地效飞行器客船来进行运输,则在经济上是不合适的.根据前苏联的资料,500吨重的里海怪物总共安装了10台发动机,其中的8台发动机是专供起飞使用的,一旦飞行起来,这8台发动机就停止运行,仅靠尾部的2台发动机提供前进动力.因此,从经济性角度考虑,民用大型地效飞行器客船是绝对承受不了的.应该将几个座位,几吨重的地效飞行器应用在那些不涉及武装或暴力的应用场合,如水面巡航,寻找待救援船只以及进行测量工作等.3.2.2大,中,小型地效飞行器如前所述,上百吨以上大型地效飞行器的经济性很差,只有在军事上用作地效导弹艇才能够承受.这是由于军用地效导弹艇的战术指标是第一位的,如果战时地效导弹艇能够击中一艘敌舰,那么

15、经济性问题与战果相比就不成为一个主要问题了.虽然大型地效飞行器存在经济性差等方面的问题,但由于其飞行速度快,在沿海货运市场方面还是有一定的应用前途,但是应以100吨左右为宜.如开发研制更大的货运地效飞行器,则需配置的发动机成本太高,运行费用也太大.在中型地效飞行器方面,从经济性考虑应重点开发5080客位或100客位以下的地效飞行器客船.小型地效飞行器的开发重点应放在几吨或几至十几客位的公务用艇,用于检查,测量等工作,而不应将开发重点放在缉私艇,巡逻艇上.3.2.3内河湖泊,沿海,远洋运输地效飞行器由于内河湖泊的航道复杂,开发小吨位检查或测量用地效公务用艇是不合适的,可开发中等尺度的客运地效飞行

16、器.小型的地效公务用艇可供在沿海海域使用,另外,在沿海海域也可使用中型地效客船,登陆艇,导弹艇以及大型的货运地效飞行器.根据目前的情况,还不具备开发远洋运输用地效飞行器的条件,有关的想法和计划都是不切实际的.从远洋运输角度来讲,有的国家已制定了干吨级地效飞行器的发展计划.从理论上讲,由于地效飞行器充分利用了地面效应,可降低运输同样重量货物时所需的发动机功率,从而降低发动机的制造成本和营运成本,在经济性方面应该比飞机好,并在所花费运输时间方面应该比船舶快.但是,从实践经验来看,由于大型地效飞行器起飞和飞行阶段所需发动机功率的差别很大,无疑又增加了制造成本,综合运输效率与飞机相比是不是还能有优势还

17、有待专家进行认真的评估.从飞行时间来看,地效飞行器的远洋远距离客运由并不现实.这是由于考虑到乘客的乘坐舒适性,飞行时间应控制在23小时为宜.地效飞行器贴着水面飞行,乘客没有任何景观可以观赏,常时间看着海面,乘客会很快就感觉疲劳的.地效飞行器的飞行时间最好能控制在2小时以内,至多不能超过3小时.如果以最高速度500km/h计算,则飞行半径应控制在1500km范围以内,在实际应用时,不应超出lO00km.3.2.4结论根据以上分析,笔者认为,在地效飞行器的开发研制工作中,应着重开发:(1)大型的沿海军用导弹艇以及民用货船;(2)中型的内河,湖泊或沿海客船以及沿海用登陆艇;(3)小型的沿海公务用艇.

18、通过以上分析,笔者认为,地效飞行器的最大应用市场是在沿海,这也与某些业内专家的观点不谋而合.3.3民用地效飞行器研发所面I临的几个关键问题从运输的角度看,应该认识到运输的问题是一个系统的问题.如将地效飞行器用于旅客运输的话,除了存在飞行时间的问题外,还存在码头与城市之间的交通,噪声以及旅客的乘坐舒适性等问题.在现有条件下,地效飞行器码头是无法建在市中心的,这就存在旅客在码头与市中心间的转乘运输问题.以湖州一无锡间的旅客运输为例,乘坐地效飞行器从湖州太湖地效飞行器公司码头到无锡三国城码头仅需30分钟时间,但从湖PIIN地效飞行器公司以及从三国城到无锡市中心却分别还需花费30分钟,再加上上,下飞行

19、器需花费的时间(估计15分钟),则整个旅行时间为105分钟.与汽车旅行(约需花费150分钟时间)相比,地效飞行器的快捷优势并不明显,而地效飞行器旅行的舒适性,经济性更是没法与公路汽车旅行相比.另外,地效飞行器起飞和飞行时的噪声是很大的,解决噪声问题的难度也是很大的.考虑到与码头的配套问题,今后能够上天,入地,下海的两栖型地效飞行器或复合船型的地效飞行器必将是发展方向,使地效飞行器不仅能在地效区长时间飞行,也具有短时的飞高越障能力,这对于地效飞行器用于内河湖泊客运时尤为重要.开发适用的国产耐腐蚀航空发动机也是一个必须解决的关键问题.(下转第8页)技型或一块板被楔切割的损伤形式相似.Ohtsubo

20、和Wang在最近的一篇文献中提出了运动学模型,它能描述所有的试验观察结果,如在楔尖附近材料的出平面变形以及楔尖与板上裂缝尖端保持接触这样的事实.根据这个模型,可认为板的损伤是由于高应力区域的延展破坏所致.根据这样的模型,Ohtsubo和Wang推导出一个如下所示的简化公式,可预报板的变形阻力(详细推导可见附录):F=1.51aot1.5s.一s1+)(3)在实际情况中,楔的宽度和长度是有限的.在撕裂的初始阶段,随着撕裂过程的发展,撕裂变形阻力也会随着增大.但当撕裂过程发展到某种程度时,撕裂载荷保持不变,则撕裂变形阻力就会达到一种稳定的状态.这样的转变大致发生在当楔肩侵入到板中的时候.将对应的撕

21、裂长度代入公式(3)中,就可推导出恒定撕裂载荷时的撕裂变形阻力表达式(详细推导可见附录):=1.51aot1.5zs0”5(s1+)(4)在某些情况下,在楔前方的板会产生折皱,且撕裂现象并没有出现在楔尖处,而是出现在离开楔尖较远的位置,这种现象被称为蛇腹形撕裂现象.Wierzbicki(1995)推导出此情况下板的平均强度公式(详细推导可见附录):F=(3ao(2b)0.33t.?+2Rt)/a(5)对低碳钢而言,Atkins(1998)发现值一般在3001o00KJ/m2范围内.与第一项相比较,若板的厚度达到一定的厚度,则(5)式中的第二项在一般情况下就比较小.因此,本文忽略了对断裂阻力的影

22、响.3.4扶强材扶强材增强了船体吸收能量的能力.Vaughan(1978)提出了一种考虑了扶强材作用的等效板厚方法.这种方法将扶强材的横截面面积分摊到整个板上.对某些并不很强的扶强材而言,某些试验结果表明可将扶强材的作用看成相当于在此条件下增大了板厚.(未完待续)译自:(JourralofShipResearch.Vo1.41,No.3,Sept.1997.王自力校(上接第19页)在降低制造成本和营运成本以及提高乘坐舒适性也即解决耐波性问题等方面都有很多工作要做,还有很长的路要走.笔者认为.在开发地效飞行器方面,需实现航空系统一造船系统有关单位的强强联合,组建若干个研发联合体,在联合开展研究和开发工作的基础上各单位研制的产品要有所侧重,有所分工,避免一哄而上.有的单位可侧重研制军用地效飞行器,而有的单位却可将重点放在研制民用地效飞行器;有的单位搞大型产品,而有的单位却集中精力搞小型产品或中型产品.另外,地效飞行器的研究和开发过程应该分步进行.首先,应突破小型公务艇和中型运输艇的设计和制造技术,并在取得实际使用经验的基础上,开展大型军用导弹艇的研制工作.Nl科一一舶一一丝船:_1J一.r一一夕一,一