郭鵬飛，張 永，邵秋虎

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研發(fā)中心，北京 100076）

0 引言

1950年，美國人馮·卡門教授與意大利人加布里爾共同提出了著名的“馮·卡門-加布里爾曲線”。該曲線揭示了運(yùn)載器的運(yùn)輸效率（運(yùn)載器重量/拉力）隨運(yùn)行速度之間的變化規(guī)律，運(yùn)載器的高速度和高運(yùn)載效率存在技術(shù)極限。曲線的兩端分別由低速度且高運(yùn)載效率的火車和高速度且低運(yùn)載效率的超音速客機(jī)占據(jù)；而在速度100km/h~500km/h內(nèi)的氣墊船、水上飛機(jī)和輕型飛機(jī)的運(yùn)輸效率都很低。在現(xiàn)有運(yùn)輸工具和極限曲線之間還存在一片空白區(qū)域（圖 1中的黃色網(wǎng)格區(qū)域），正是這片空白孕育了新型運(yùn)輸工具——地效翼船，使得大載荷、低成本、快速運(yùn)輸成為可能。

圖1 馮·卡門-加布里爾曲線

地效翼船，又稱（掠海）地效飛行器或沖翼艇，是利用地面效應(yīng)原理實現(xiàn)超低空高效、高速巡航飛行一種新型翼船。地效翼船是介于飛機(jī)、艦船之間的一種新型高速翼船，貼近水面或其它界面飛行，機(jī)翼下表面離飛行界面很近，形成氣流阻塞，使機(jī)翼升力增加，阻力減少，大幅提高飛行升阻比[1]。地效翼船利用地面效應(yīng)原理飛行，具有載重量大、起降方便、造價便宜、安全性高、水陸兩用等特點(diǎn)，不僅可作為管控海疆的有效工具，還可作為海上救生和海洋石油資源開發(fā)的優(yōu)良運(yùn)輸工具[2]。目前世界上已有俄羅斯、德國、瑞士、瑞典、韓國、伊朗、美國、中國等十余個國家掌握地效翼船的設(shè)計和制造技術(shù)，其中俄羅斯是唯一實現(xiàn)大型地效翼船列裝部隊的國家。

然而地效翼船的發(fā)展命途多舛，始終未能得到推廣和大規(guī)模應(yīng)用，這其中有過去關(guān)鍵技術(shù)難以突破的原因，同時政治和時局影響也起到舉足輕重的作用。

新世紀(jì)，隨著解決能源危機(jī)、開發(fā)海洋資源、發(fā)展海上運(yùn)輸?shù)刃枨蟮某霈F(xiàn)，地效翼船因其獨(dú)特的性能優(yōu)勢再次進(jìn)入了人們的視野，掀起了新一輪研究熱潮。部分國家已研制成功了用于中、長途客運(yùn)的民用地效翼船，并取得適航資格[3,4]。

1 主要用途

地效翼船最早是二十世紀(jì)六七十年代，在前蘇聯(lián)國家戰(zhàn)略需求引導(dǎo)下快速發(fā)展起來的。近年來，我國周邊安全形勢特別是海洋安全形勢不斷復(fù)雜化，東海、南海爭端頻現(xiàn)。無論是近期出現(xiàn)的中日釣魚島爭端，還是南海問題，都需要我國具備海島快速到達(dá)及現(xiàn)場處置能力。而我國現(xiàn)有飛機(jī)及艦船都無法滿足現(xiàn)實軍事需求，如現(xiàn)有大型飛機(jī)雖能快速到達(dá)，卻無法長時間滯留和開展現(xiàn)場處置；大型水上飛機(jī)已經(jīng)服役多年，數(shù)量有限，無法滿足大規(guī)模運(yùn)輸和長期多任務(wù)的需求；各類艦船受到速度限制無法快速到達(dá)，且后續(xù)補(bǔ)給存在困難，無法長期滯留。

隨著美國戰(zhàn)略重心向亞太地區(qū)的轉(zhuǎn)移，未來我國在南海、東海問題上與周邊國家的博弈和摩擦將變得常態(tài)化，不排除發(fā)生局部軍事沖突及對抗的可能性。因此，從現(xiàn)實角度出發(fā)，我國軍事、漁政及海監(jiān)部門急需一種具備?？斩嗪綉B(tài)、隱蔽、高速及大載運(yùn)量的高性能先進(jìn)運(yùn)輸工具。根據(jù)我國科學(xué)技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)實情況，發(fā)展大型地效翼船是比較合理的選擇。同時，地效翼船還可滿足海島爭端處置、遠(yuǎn)程快速投送及后勤保障、海疆巡邏、遠(yuǎn)海搜索及救援、反潛、反魚雷作戰(zhàn)應(yīng)用等軍事用途。

2 發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

地效翼船的發(fā)展經(jīng)過了一段曲折的歷程。1932年，芬蘭工程師卡奧爾諸首次進(jìn)行地效翼船模型的試驗，隨后，包括前蘇聯(lián)、瑞典、德國、瑞士在內(nèi)的多國紛紛開始相關(guān)技術(shù)研究，尤其以前蘇聯(lián)地效翼船研究取得的成就最為突出。前蘇聯(lián)十分重視地效翼船的發(fā)展，加之有里海、黑海等內(nèi)海、大湖作為理想的試飛場所，在地效翼船的設(shè)計、制造方面一直處于世界領(lǐng)先地位，先后研制出20余種型號的地效翼船，其中小鷹、鷂級等型號已經(jīng)裝備部隊使用。俄羅斯在地效翼船中取得的成就引起了國際的廣泛關(guān)注，美國、德國、意大利、韓國、日本、加拿大和中國都積極進(jìn)行了地效翼船的論證和研制，并取得了一定成果，在中小型地效翼船的設(shè)計和制造中積累了豐富的經(jīng)驗。

二十世紀(jì)末，由于海上斗爭較核對抗、信息爭奪和空中斗爭相對沉寂，加之其發(fā)展過程中也遇到一系列技術(shù)難題，因而，以海上斗爭見長的地效翼船未能成為軍事領(lǐng)域的主要角色。于是，在一些國家縮小武器裝備建設(shè)規(guī)模的過程中，地效翼船等難點(diǎn)項目相繼減緩，其在全球范圍內(nèi)的發(fā)展步伐日益減緩。

2012年1月27日，俄羅斯聯(lián)邦邊防局稱其正在北部城市彼得羅扎沃茨克建立一個地效翼船生產(chǎn)中心，生產(chǎn)獵戶座-20地效翼船，以更好保衛(wèi)其領(lǐng)海。2012年2月，韓國公開了其100座民用地效翼船已進(jìn)入試航取證階段，不久將進(jìn)入民用客運(yùn)運(yùn)營。

美國研究地效翼船起步也比較早，1964年曾研制出 4.3t的載人試驗機(jī)，但進(jìn)展緩慢，特別是 70年代美國決策大力發(fā)展大型核動力艦船后，對地效翼船的財政支持幾乎完全中斷，使研制工作停頓下來。美國遠(yuǎn)景規(guī)劃局曾斥資500萬美元，組織了一個包括航空、船舶、電子、材料以及戰(zhàn)略研究等各行專家在內(nèi)的龐大考察團(tuán)，對俄羅斯地效翼船進(jìn)行多方考察，寫出長達(dá)幾百萬字的考察分析報告，此后美國國防部又派出代表團(tuán)赴俄羅斯談判購買地效翼船技術(shù)，但最后美國卻得出“地效翼船沒有發(fā)展前途”的結(jié)論。

德國在掠海地效翼船方面的研究也很有特色，研制了多個系列的地效翼船，有X系列、喬格系列、TAⅧ系列、HW20等。德國的地效翼船走了一條與俄羅斯、美國等國截然不同的發(fā)展之路，更趨向于民用化、小型化和實用化。

伊朗國防部2010年9月28日公開信念2型地效翼船的照片，伊朗軍方稱該型地效翼船對雷達(dá)具有隱身能力，伊朗官方電視臺稱其軍方已經(jīng)接受首批三個中隊的地效翼船。

2012年2月，韓國地效翼船最大建造企業(yè)地效翼船重工建造的韓國首艘 50客位地效翼船WSH-500（圖2）進(jìn)行了首次離水試驗并獲得成功。據(jù)韓國方面介紹，這是迄今為止全球第一艘取得離水試驗成功的50客位地效翼船。該地效翼船已獲得韓政府的運(yùn)營許可證，初步計劃于4月正式開航，首條航線為群山市的飛龍港至濟(jì)州島的愛月港。韓政府曾于 2005年將地效翼船列為該國重點(diǎn)研發(fā)課題，選定了研發(fā)設(shè)計單位和建造企業(yè)，并將該項目命名為韓國的“海上 KTX 項目”。韓國還計劃建造150客位的大型地效翼船WSH-1500，目標(biāo)是開通中國、日本和韓國港口之間的航線，打進(jìn)國際市場，而中小型地效翼船則用于韓國國內(nèi)觀光和客運(yùn)。

圖2 韓國50客位地效翼船

我國航空、船舶戰(zhàn)線的科技人員從20世紀(jì)60年代起便開始了對地效翼船技術(shù)持續(xù)多年的跟蹤與研究。經(jīng)過數(shù)十年的努力，解決了地效翼船的一系列關(guān)鍵技術(shù)，在地效翼船的組合翼式總體布局、穩(wěn)定性設(shè)計、水動力布局、水撬-緩沖技術(shù)、動力增升技術(shù)，外載荷預(yù)報技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、新材料研制等方面都取得了突破和較大進(jìn)展。目前，我國已經(jīng)形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的地效翼船設(shè)計技術(shù)，先后研制出信天翁系列、天翼系列、天象系列、天鵝系列和天使鳥系列等多種型號小型地效翼船。

綜合可見，地效翼船經(jīng)過輝煌后的短暫沉寂，又有升溫的趨勢。目前俄羅斯已重啟地效翼船計劃，有消息稱獵戶座-20地效翼船正在彼得羅扎沃茨克建造，它將作為一個未來地效翼船的發(fā)動機(jī)、導(dǎo)航設(shè)備和安全系統(tǒng)的試驗平臺。大型地效翼船仍然具有發(fā)展?jié)摿?，但需要克服發(fā)動機(jī)、起降穩(wěn)定性、抗大風(fēng)浪性等技術(shù)難題。但大型化、無人化、多功能化無疑已成為當(dāng)今地效翼船的發(fā)展方向。

3 存在問題

盡管地效翼船在使用上具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，但其也存在一定不足，主要體現(xiàn)在以下四個方面。

1）研制投入較大、周期較長

地效翼船的研制，尤其是大型地效翼船的研制，需要較大的研制經(jīng)費(fèi)投入和持續(xù)穩(wěn)定的支持。前蘇聯(lián)之所以在地效翼船的研制上取得相當(dāng)?shù)妮x煌成就，與前蘇聯(lián)一心要取得冷戰(zhàn)中的技術(shù)優(yōu)勢以及蘇聯(lián)政府的強(qiáng)有力支持是密不可分的。大型地效翼船的研制是一個系統(tǒng)工程，需要突破一系列的技術(shù)難關(guān)，其產(chǎn)業(yè)化過程中更需要多個部門的支持與配合，同時大型地效翼船研制周期相對較長，需要持續(xù)穩(wěn)定的研制投入[5]。

2）現(xiàn)有地效翼船不能滿足未來軍民需求

我國目前已經(jīng)形成產(chǎn)品的各型地效翼船集中在中小型規(guī)模，載重量小，海情適應(yīng)性低，與高速船、軍事運(yùn)輸機(jī)和水上飛機(jī)相比，小型地效翼船不具有絕對的競爭優(yōu)勢。地效翼船與水上飛機(jī)、軍用運(yùn)輸機(jī)等相比，最大的優(yōu)勢在于大型地效翼船的大運(yùn)載能力。我國缺少大型運(yùn)輸機(jī)、水上飛機(jī)型號單一，現(xiàn)有地效翼船不能滿足未來大載荷、遠(yuǎn)距離快速運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

3）存在關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

地效翼船在水面起降，其離水、著水技術(shù)尚需進(jìn)一步技術(shù)攻關(guān)解決；運(yùn)行介質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，從水中到空中或從空中到水中；航速高，受波浪作用大，直接影響翼船的安全性和操控穩(wěn)定性；實際飛行中翼船既要從水面進(jìn)入大氣，又要從大氣進(jìn)入水面，因此在其氣動布局、結(jié)構(gòu)等設(shè)計、材料選取中需要綜合考慮水、氣兩方面的環(huán)境因素進(jìn)行設(shè)計，以確保其氣/水兩相流環(huán)境的適應(yīng)性；在遠(yuǎn)海上復(fù)雜條件下安全航行方面需解決飛行抗浪性問題；由于波浪的噴濺、撞擊，使翼船的姿態(tài)和運(yùn)動要素受到影響，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及防腐要求較高；此外，大型地效翼船的動力的選擇也是一項不容忽視的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)[6,7]。

4）缺乏相關(guān)的政策法規(guī)

目前地效翼船設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范游離于航空和船舶兩個體系之外，對于這一新興運(yùn)載工具，國內(nèi)尚未形成標(biāo)準(zhǔn)的航線規(guī)劃和系統(tǒng)的專業(yè)性規(guī)范。國內(nèi)亟需先行發(fā)展統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范，針對地效翼船的獨(dú)特性和特殊性，建立完善的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和適航法規(guī)，這將為推動地效翼船的研制工作產(chǎn)生積極作用。

4 未來發(fā)展趨勢

綜合地效翼船發(fā)展歷程，未來地效翼船需要提供更大的有效運(yùn)載量、更遠(yuǎn)的航程以及更好的海況適應(yīng)性，其研發(fā)首先需要提高動力系統(tǒng)的性能。動力系統(tǒng)方案首先應(yīng)采用現(xiàn)有技術(shù)較為成熟的航空發(fā)動機(jī)并針對航行工況進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)，增加氣水隔離裝置，提高船體抗腐蝕能力。同時應(yīng)開展混合動力、核動力等新型動力應(yīng)用于地效翼船的可行性研究，在其獲得關(guān)鍵技術(shù)突破后，逐步考慮應(yīng)用于地效翼船，作為未來地效翼船的動力系統(tǒng)選擇之一。

現(xiàn)有地效翼船起飛用的航空發(fā)動機(jī)在巡航狀態(tài)往往成為負(fù)重，降低地效翼船的航行效率，新型先進(jìn)地效翼船需要重點(diǎn)研究動力系統(tǒng)簡化。通過研發(fā)混合動力系統(tǒng)，可在地效翼船起飛過程采用火箭發(fā)動機(jī)助推，巡航過程采用航空發(fā)動機(jī)推進(jìn)的混合動力系統(tǒng)。充分利用火箭發(fā)動機(jī)推力大、比沖高的優(yōu)點(diǎn)，有效減少起飛用發(fā)動機(jī)的數(shù)量和質(zhì)量，極大地簡化動力裝置。目前，國內(nèi)火箭發(fā)動機(jī)已具備獨(dú)立自主研制的能力，并且逐漸發(fā)展無毒無污染、重復(fù)使用的火箭動力系統(tǒng)，因此具備應(yīng)用于飛機(jī)、船舶等裝備的技術(shù)基礎(chǔ)。以組合動力和核動力為代表的新型動力技術(shù)目前尚不成熟，但應(yīng)用潛力較大。

[1]周常堯, 高東華, 華陽, 等. 地效飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀及軍事應(yīng)用前景 [J]. 飛航導(dǎo)彈, 2006(4): 19-22.

[2]林文祥, 吳榕, 唐雯. 地效飛行器發(fā)展回顧及前景展望 [J]. 航空科學(xué)技術(shù), 2011(1): 8-10.

[3]陳東, 高飛, 王曉東. 俄羅斯及我國地效飛行器的發(fā)展 [J]. 現(xiàn)代軍事, 2005(3): 13-16.

[4]天鷹. 蓄勢鯤鵬 中國地效飛行器的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 中國海軍, 2006(5): 37-41.

[5]葉永林. 地效翼船總體性能設(shè)計技術(shù) [J]. 船舶力學(xué),2002(6): 95-103.

[6]張鯤鵬, 王小玲, 朱錦章. 地效翼船的動力選擇 [J].船舶工程, 2008(5): 23-26.

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