地效飞行器[一]：填补运输效率的黄金空白--中华网--中华军事

地效飞行器[一]：填补运输效率的黄金空白(1)

http://military.china.com 2005-09-14 09:41:14 【大中小】

　　
　　《现代军事》杂志供中华网稿件

　　填补运输效率的黄金空白——地面效应原理与地效飞行器

　　中国科学院院士、中国工程院院士、中国航空工业第一集团公司科技委副主任：顾诵芬
　　中国科学院院士、中国力学学会会长：崔尔杰

　　运输效率是衡量一切交通运输工具优劣的重要指标。现代运载器——车、船、飞机等，正朝着快速、安全、舒适、经济及大运载量方向发展。
　　

　　运输效率与速度的变化有一个自然规律：速度小的时候运输能力相对要强，也就是说，在同样的拉力下，拉动的重量要多得多。在1950年，钱学森的老师冯.卡门(Von Karman)教授与意大利人加布里尔(G. Gabrielli)一起，在统计了当时各种运载器的特征数据后，找出了运输效率K=G／W随运行速度V的关系，即对运载器要求高的速度又有一定的高运载效率是有个技术限度的。在下中，低端是火车，高端是超音速客机，运输效率随速度变化呈一条直线，即图中的斜线。这是一条极限曲线。
　　

　　从图中可以看到，火车在100千米/小时的速度时，空气阻力很小，只需要克服铁轨的摩擦力就够了，100千克的拉力可以拉动10000千克的重量；而超音速客机“协和号”飞到2000千米/小时，100千克的拉力只能拉动600~700千克的重量。这是客观规律。因为速度大了以后，空气阻力增加得非常快，会消耗很多的能量。从图中还可以看到，当V=100千米/小时左右，无论水翼船和气垫船的运输效率K都不到10，而冯卡门-加布里尔曲线K表示它们应该可以达到150以上，之所以达不到的原因是这类船没有离开水，而水的阻力是随速度的平方在增加，而且水的密度又是空气密度的800倍，因此船的最高速度很难超过150千米／小时。怎样才能进一步提高船的航行速度和运载被率K，这是各国科学家所特别关注的。

　　随着现代科学技术的不断进步，这条曲线可能平移K.V=15000是1995年的水平，K.V=20000是美国航空航天局（NASA）预测的2l世纪水平。人们注意到，在速度为300-500千米/小时，运载效率K为15-30靠近极限曲线这一区间，在地效飞行器问世之前，是一大片空白。

　　为什么要搞地效飞行器？是因为在这个区间，原有的运输工具效率都比较低，水上飞机K=8-10，100千克拉力有可能拉动1000千克重量；轻型飞机K=12，有可能拉动1500千克重量；特别是直升飞机，100千克拉力最多拉动300千克重量，都离极限曲线很远。而地效飞行器因为充分利用了地效的增升作用，100千克拉力有可能拉动3000千克重量，达到了K=25以上，接近了极限曲线的边界。由此可见，地效飞行器高速高装载量的运输潜力很大，有望达到极其有效的运输效率。
　　

　　早在20世纪初，空气动力学家就发现了飞行器在靠近地面飞行时，因地面影响减少了流经机翼的下洗，因而能增加升力、减少诱导阻力，使飞机能得到比空中飞行更高的升阻比L/D。其中L为能举起飞行器的力，也就是飞行器重量，D为飞行器在该飞行速度的阻力。因此，L/D也表征了飞行器的运载效率K。这一现象被称为“地面效应”。

　　1932年，德国人在北海飞道尼尔DO-X水上飞机时，发现贴近海面飞行时的耗油率要比在空中飞行时低。20世纪60年代，苏联著名设计师阿列克谢耶夫(R.E.Alexeyev)首先提出，要使船的航行速度突破l50千米/小时的屏障只有将船飞离水面，离水后能达到高的运载效率。

　　地面效应的强弱取决于机翼离地高度h与机翼弦长b之比。一种典型机翼，远离地面，即≥0 4时，升阻比K为25；但近地面，即=0.1时，则K=50。这表明飞行器若贴地面或水面飞行，运载效率K将比空中飞行时高一倍。阿列克谢耶夫正是利用这个原理设计了一系列的地效飞行器，其运载效率K远高于同样飞行速度V=300千米/时的直升机。一般，直升机因为要保证垂直起降，气动阻力很大，K不到3，固此不可能有高的运载效率。水上飞机和轻型飞机由于不能利用地面效应，气动阻力也较大。而地效飞行器利用了地而效应，使运载效率K大大提高到接近冯卡门-加布里尔曲线的边界K=30，因此效率是很高的。如果地效飞行器设计成组合式机翼，即主翼用大弦长、小展弦比形式，再加上小弦长、大展弦比外翼，就有可能突破冯卡门-加布里尔曲线，上升到更高水平即K=70以上。

　　地效飞行器在水上飞行时还有一个抗浪的问题，必须飞过浪尖。为了能飞过浪尖，对浪大的地区就必须飞得高。如在4-5级海情，浪高2.5米的情况下，地效飞行器的弦长最好要15米以上，这样的地效飞行器将重500吨左右。因此，为了在海浪中全天候飞行，地效飞行器必须做大。

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