美国要造新型地效飞行器,“里海怪物”魅力何在?令

发布时间:2022-04-17 聚合阅读:
原标题:美国要造新型地效飞行器,“里海怪物”魅力何在?8月18日,美国国防高级研究计划局(DARPA)向工业界公开招标,寻求能有效支持研发新型地效飞行器的相关技...

原标题:美国要造新型地效飞行器,“里海怪物”魅力何在?

8月18日,美国国防高级研究计划局(DARPA)向工业界公开招标,寻求能有效支持研发新型地效飞行器的相关技术。按照目前已经公开的信息,这种新型地效飞行器的有效载荷有望超过100吨,可以同时携带多辆两栖车辆。

地效飞行器是一种介于传统意义上“船”与“飞机”之间的交通载具,它在巡航时,能利用地面效应(简称“地效”)状态下的超强升力,把整个机身完全托举起来、离开水面,从而极大的减小航行阻力。

地效飞行器在速度上能接近低速飞机,而载重能力则大大超过低速飞机。

DARPA对地效飞行器的兴趣,既不难以理解、也不新鲜:从上世纪50年代末以来,没有哪个军事强国不曾尝试过地效飞行器的实用化研究,其中尤其以苏联投入的资源最多、取得的工程进展最令人瞩目——

苏联研发的地效飞行器KM

苏联所打造的地效飞行器KM是全球最为知名的地效飞行器。这架被西方称为“里海怪物”的地效飞行器实际上是KM(意为“军用样舰”)试验船,仅www.dangcong.cn制造一架,于1980年12月坠毁,因船身解体未能打捞。

下图这种带有导弹发射装置的地效飞行器也是苏联制造,名为“雌鹞”,但后来它也经常被混淆为“里海怪物”。

虽然近年来,俄罗斯与美国等多国陆续传来关于地效飞行器的招标或者立项消息。但至今为止,除了一些内陆湖泊中规模极小的实验性运用外,地效飞行器在全球各国都未实现规模化应用。

这种超越国家意识形态阵营的共性现象,背后一定有着核心原理上的巨大局限性问题;这个问题不能得到根除,则地效飞行器的实用依然不会得到突破——包括DARPA此次的研究在内。

地效:是优势,也是桎梏

地效飞行器的最大优势,在于其较高的速度与相对较大的载重量。

一些动力较为强劲的地效飞行器,如“里海怪物”KM试验船,其最大巡航速度能达到500公里/小时。

即便向航程和经济性等方面的因素进行妥协,地效飞行器的合理速度依然能轻易达到300公里/小时左右;这种速度性能,是传统高速舰艇、甚至气垫原理舰艇都根本无法企及的。

这样的高速优势来自于“地面效应(地效)”——

机翼在距离地面或者水面非常近的时候,升力会猛烈、突然地增加。通常而言,这个高度与机翼的翼展大小密切相关;根据现有不同型号的实际性能统计,地效飞行器的飞行高度,根据自身翼展大小不等,通常在0.1米至5米之间。

但这样的飞行高度,也限制了地效飞行器的运载性能——越是要充分利用地效来强化飞行器的运载性能,它在脱离地效高度以后就越是没有足够的升力来维持飞行。而如果企图在设计中强化地效飞行器的运载功能,就会陷入和水上飞机同质化的窠臼,并丧失自身的性能优势。

俄罗斯别-200水上飞机

基于这一限制,目前大多数的地效飞行器都不具备跃升能力,而少数型号的跃升能力也不会高于50米。由于允许的飞行高度、转弯坡度非常有限,因此地效飞行器的转向能力普遍非常差,转弯半径也常常大的离谱——比如里海怪物KM的转弯半径就达到8000米。

此外,在高速触水之外,飞行失控也是地效飞行器的拦路难题。

2020年8月4日,俄罗斯一架orion-20地效飞行器水面在试飞中坠毁

虽然地效飞行器的拥趸常常表示,地效飞行器“一般具有爬升到地效区外并在自由空间飞行的能力,因此其操纵空间可以扩展,并用内倾飞行来改善回转操纵性。”但在实际型号研发中是难以实现的:这种能力的实现,需要在极大程度上以牺牲地效飞行器载荷性能为代价才能获得,是阻碍地效飞行器实用化的核心关键之一。

从“船”到飞行,难题不止一个

此外,在不到5米高的范围内,以300至500公里/小时的极高速度进行巡航,其风险是显而易见的:一旦遭遇突风、大浪,地效飞行器几乎没有反应余地,只要船身高速触水,便极易导致灾难性的事故。KM的坠毁就是典型的例子——

地效飞行器有三个航行状态:

在低速阶段,它类似于普通的排水快艇;

在过渡阶段,需要利用船艏发动机的增压送气模式,在机翼下喷射高压气体形成气垫——此时它以气垫船式的原理前进;

在船身完全脱离水面之后,才能进入真正的地效飞行模式。

在1980年12月的事故中,KM在起飞过程中由于高速触水而坠毁,船身结构解体。而当时KM尚未完成整个起飞过程,飞行速度还尚未达到每小时250公里/小时。如果是在400-500公里/小时的最大速度巡航状态下触水,结局将更为惨烈

此外,KM的坠毁事故还暴露出了另一个非常严重的问题:在限制极为严格、仅有几米的飞行高度范围中,保持地效飞行器的稳定控制是一件非常艰难的工作。KM和“雌鹞”的驾驶操纵,就对驾驶员的技能和反应状态要求十分苛刻。

“雌鹞”驾驶舱

即使是现代的全权限数字化控制技术,能够极大幅度减轻驾驶员的操纵负担;但是地效飞行器在高速巡航状态下,其运动过程在空间与时间上的极低容错特性,依然是无法被扭转的。

虽然为了解决以上问题,各国的地效飞行器设计师们也付出了各种各样的努力。 但从上世纪50年代末期至今,地效飞行器的研发过程中,真正称得上技术进步的,仍仅限于如何更高效的形成和利用地效升力方面——

比如利用螺旋桨气流和发动机喷流,来对机翼进行强力的动力增升。

俄罗斯A-050地效飞行器

对于地效飞行器来说,这些努力的成果都是“锦上添花”。对于最关键问题,比如避免恶劣环境下的高速触水风险,低代价的实现地效区外的跃升甚至飞行能力,强化转向能力上,至今缺乏真正的突破性成果。

也因此,在可见的未来,DARPA的研究依然无法脱离现有的理论基础和工程技术极限, 在缺乏强力理论和关键技术变革的情况下,能形成实用化成果的可能性并不高。

文案:侯知健

排版:蓝 风

编审:武 晨

监制:王 兰

看航空融媒体工作室出品

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