1989年,蘇聯解體之後,“裏海怪物”的秘密信息才逐漸披露出來。原來,它是蘇聯於1966年建成的、起飛質量為540噸的大型地效飛行器試驗樣機。飛行器貼近地面飛行,機翼會產生比高空飛行時更大的升力,這種現象就是所謂的“地面效應”。“裏海怪物”實際上是壹個從水面起飛在水面降落,能緊貼水面高速飛行的大型飛行平臺。
1993年~1995年間美國國會專門撥款500萬美元,指示國防部遠景研究計劃局,研究地效飛行器概念並向國防部報告地效飛行器的軍用需求。為此,遠景研究計劃局派專家到俄羅斯做廣泛調查、考察實物、觀看飛行,並對蘇聯地效飛行器性能、參數進行分析,探討對其優化和向大型化推廣的可行性。地效飛行器為什麽會引起蘇聯和美國這麽大的興趣呢?
船能離開水面航行嗎
在人們的思維定式裏,船是在水裏航行的運輸工具,船水關系如同魚水關系,船離開水怎麽航行呢?
自從空氣動力學家發現了“地面效應”的原理後,傳統的理念就受到了顛覆。
“地面效應”這種原理早在上世紀20年代,空氣動力學家就已知道了。1929年,德國道尼爾公司建造了壹架水上飛機,1930年~1931年飛機在橫渡大西洋飛行時發現,緊貼水面飛行可增加有效載荷,航程比空中飛行更省油。這壹發現,使地面效應原理得到了實踐上的驗證。1935年芬蘭工程師卡裏奧根據這壹原理,做成了世界上第壹架地效飛行器試驗樣機――雪地飛行的飛行雪橇,邁出了地效飛行器實踐第壹步,後因結構、發動機以及飛行力學等多方面問題沒有很好解決,限制了它的發展。
但是,人們始終沒有放棄研究地面效應原理。到了20世紀60年代,蘇聯中央水翼船設計局總設計師阿列克謝耶夫,接受了海軍要求研究高速艦船的任務。為了提高船速,人們搞過水翼船、氣墊船和其他各種形式的船舶。但當船速超過100千米/小時後,由於出現了水動力學上的空穴效應,船速再要提高就很困難了。這時,阿列克謝耶夫想到利用地面效應,如果船能離開水面飛行,就可大大減少船在水中航行的阻力,因為空氣密度比水小得多,只為水的八百分之壹。在空氣中飛行,再加上充分利用地面效應,完全可以大幅度提高船速。
阿列克謝耶夫從1961年建造了第壹架地效飛行器的自航試驗機C M-1後,又陸續建造了CM-2到CM-6等壹系列大小不等的試驗樣機,其中,CM-2到CM-5為3.2噸到7.3噸,CM-6為26.5噸,用以改善飛行性能並為大型飛行器的研制做準備。
1963年,中央水翼船設計局開始研制大型地效飛行器試驗樣機,叫做“樣船”。它的起飛質量達540噸,能裝載900名全副武裝的士兵。機身前部安裝有8臺推力為13000千克的起飛墊升發動機,此外,還在立尾中部安裝了兩臺同樣的推進發動機,用於巡航飛行。飛行速度達430千米/小時~500千米/小時。該機從1966年底建成後,直至1980年意外墜毀,在裏海進行了長達十幾年的飛行試驗,成為俄羅斯地效飛行器發展的原型。上世紀70年代美國衛星拍攝到了這壹在裏海貼著水面高速飛行的物體、既不像飛機也不像船,不知是什麽東西,因為“千米”兩個字母正好是俄文“裏海怪物”壹詞的字頭,因此,西方國家就把它稱為“裏海怪物”了。它實際上是壹個從水面起飛在水面降落,能緊貼水面高速飛行的大型飛行平臺。
事故頻起發展艱難
以後,世界上有許多國家開始研制地效飛行器,除蘇聯外,還有美國、德國等,其中蘇聯搞得最好,研制水平在世界上遙遙領先。
蘇聯著眼於軍事應用,註重突襲和快速運輸等戰術要求,先後研制成功125噸級的“小鷹號”和380噸級的“雌鷂號”軍用地效飛行器。“小鷹號”以360千米/小時~400千米/小時的速度,壹次可運輸重達20噸的全副武裝士兵和包括輕型坦克在內的軍用物質;“雌鷂號”以450千米/小時~500千米/小時速度飛行,可以攜帶3對雙聯裝的超音速反艦導彈。蘇聯還研制成功了可乘坐8人的小型“伏爾加Ⅱ號”和教練機“海燕號”。
但是,由於技術上的困難,地效飛行器的研制並非常壹帆風順。
“小鷹號”最初采用了脆性較大的普通鋁合金,有壹回在礁石上停靠,再次起飛後受到海浪沖擊,折斷了後機身,當時總設計師阿列克謝耶夫也在上面,他果斷地駕駛損壞後的飛機回到了岸邊。因為這次事故,阿列克謝耶夫受到了降職處分。
美國在20世紀60年代末期就開始地效飛行器的原理-l生研究和試驗工作。他們也同樣著眼於軍用,重點目標是長距離越洋運輸,快速運送武裝人員、裝備和給養。1964年前後,美國在研制大型地效飛行器過程中,由於飛行穩定性和起飛抗浪等關鍵技術難題沒有解決,在試飛中遭遇到兩次重大失敗,決定停止研制工作。到了90年代中期,美國又重新提出發展大型地效飛行器的設想,幾年前,美國波音公司透露了其超大型地效飛行器“鵜鶘號”的發展計劃,“鵜鶘號”的有效載荷為1270噸,作為軍事應用可壹次運載17輛坦克,但由於研制工作曾經中斷過,美國的地效飛行器技術在激烈的競爭中已大大落後了。
突破關鍵技術
地效飛行器研制中存在大量技術難題,其中許多問題與空氣動力學密切相關。
其壹,如何充分利用地面效應的高升阻比氣動構形問題。
由於地效區的高度正比於機翼弦長,有地效影響的高度僅為壹個弦長,因此,壹般地效飛行器均采用小展弦比機翼,這就限制了它的升阻比。為了獲得較大的有效升阻比,必須研究各種新的布局形式,譬如復合式機翼,非平面布局,及其他有效的增升減阻措施。
其二,動力匹配與動力增沖原理和方法。
地效飛行器在起飛過程中為了克服水中滑行時的阻力峰,需要很大的功率儲備;但在地效區內飛行時,由於升阻比較高,因此,需用功率要小得多,為起飛而用的發動機在飛行過程中則成為無用的重量負擔。這方面的矛盾,給動力系統設計帶來很大困難。
為解決這壹問題,人們想到了將發動機或螺旋槳的尾流導入翼下,這樣可以獲得很大的增升效果,減小起飛時的動力需求,緩解動力匹配的矛盾。這些改動,與發動機尾流、機翼、端版、襟翼等設計參數以及翼下墊升腔內空氣的復雜流動狀態有著密切的關系。
其三,起降抗浪能力。
起降抗浪能力是影響地效飛行器在海上使用的壹個重大障礙。目前已有的大型地效飛行器,如俄羅斯的“小鷹號”,起飛抗浪高度大約為1.5米;380噸級的“雌鷂號”也不過2.5米。原則上講,地效飛行器尺寸越大,抗浪能力越強。但在壹定尺度下,采用滑行水橇、動力氣墊、割浪裝置和優化機身下部的線型設計等,都是提高抗浪能力的可能途徑。
其四,近地掠海飛行的穩定性和飛行控制。
這是地效飛行器研制中最重要的關鍵技術問題。在地效區內飛行,作用在飛行器上的氣動力和力矩隨高度而變化,除常規飛機的“攻角焦點”外,地效飛行器還存在壹個與飛高有關的“飛高焦點”。它們相對於重心的配位關系,直接影響飛行器的縱向穩定性;搞得不好,將會引發各種非穩定運動模態,嚴重時,還可能造成失穩觸水而損毀的災難性後果。在飛行控制方面,由於飛行高度極低,對小高度表精度、控制系統響應時間等,要求非常高,控制難度很大。因此,要深入研究穩定性裕度的選取原則和量化指標,以及高效可靠的控制方法,確保地效區內、外飛行的絕對安全。
綜上所述,地面效應空氣/水動力學的研究為解決上述關鍵技術問題作出了重要貢獻。(上)