地效翼船(俄罗斯)

地效翼船(俄罗斯)

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地效翼船诞生的故事

  地效翼船是如何诞生的,有很多传说,其中最经典的是:1932 年 5 月的一天,北大西洋上空依旧灰雾蒙蒙,一架德国“道尼尔 Do-X”大型远程水上飞机正在进行低空试飞。飞行员突然发现发动机转速在急剧降低,飞机随之减速,一头冲向海面。原来,六台发动机中的四个供油管路被堵塞。一场机毁人亡的事故顷刻就要发生。就在飞行员一边心理默默祈祷上帝保佑一边进行海上迫降的时候,奇迹却出现了,当飞机掉高到距离海面几米时,从海面升起一股神奇力量将飞机改平,只需很少的发动机功率就可以一直把飞机保持在这个高度上向前飞行。最后,这股力量将这架庞大的水上飞机完好无损地送回了岸边。这种力量到底是来自哪里呢?最先给出答案的是空气动力学家。他们的研究结果表明,当运动的飞行器掉到距离地面或水面很近时,整个机体的上下压力差增大,升力会陡然增加。这种可使飞行器诱导阻力减小,同时能获得比空中飞行更高升阻比的物理现象,被科学家称为地面效应。

  当然,笔者并不认为这是个真实的故事,其实地效翼的研究最早开始于 20 世纪 20 年代,早在 20 世纪初,芬兰空气动力学家就发现了地面效应现象。因为“道尼尔 Do-X”水上飞机独有宽翼展、小展弦比的机翼,在接近海面飞行时会频繁出现地面效应,仿佛有一种力量在托着飞机,同时在地效状态下飞机可以用很小的省油功率保持高速飞行,科学家和工程师们受到启发开始进一步研究这种空气动力现象,最后发现了地面效应理论。1935 年,芬兰工程师 T.J.卡里奥研制了世界第一艘这种“既会飞、又会游”的船,当时称之为“冲冀艇”。
德国道尼尔 Do-X 水上飞机
德国道尼尔 Do-X 水上飞机
什么是地效翼船

  地效翼船的学名应该叫“空气动力地效翼船”,最先被称为“冲翼艇”(冲气机翼的意思),上世纪 60 年代至今,还被称作“地效翼飞行器”、“地效飞机”、“地效飞船”、“地效艇”等等。虽然有时叫做飞机,但它通常只能贴近水面飞行,无法翱翔高空;虽然有时叫做船、艇,但它的速度却比普通船舶快十几倍,接近现代飞机的速度。用通俗的语言讲,地效翼船就是利用利用地面效应进行离水航行的高速船舶(或者利用地面效应进行飞行的飞行器)。地效翼船在军用和民用两方面都有巨大的潜在优势:具育飞机的高速度、船舶的高装载量和高效费比、低雷达可探测性、良好的耐波性和两栖能力。

地效翼船的空气动力原理

  当普通飞机在空中飞行时,机翼下方的压力大于其上方的压力,产生升力,托着飞机运行;而地效翼船在贴近水面或地面时,船底下的空气受到挤压、流动受阻塞,压力增大,从而产生附加的升力。地效翼船获得的升力,除了借助飞机机翼获得升力的一般原理外,还巧妙地利用了地面效应原理。当有翼飞行器在做近地(高度小于两倍翼弦长度)的水平飞行时,其气动特性与在中高空飞行时是不一样的。由于地面的存在,改变了气流的下洗场和流速,在离地表很近的带有翼刀或隔断端板的机翼下方,就会形成气流的“堵塞”,减小了流速,使上下翼面间的压力差加大,从而提高了机翼升力、降低了诱导阻力,增大了飞机的升阻比。实验证明,这种飞行器在贴近地面(或水面)飞行时的升阻比要比在高空时增加许多,其所需的推进功率较小。一架相同起飞重量的地效翼船与普通固定翼飞机相比,其油耗可节省一半,有效载重系数比高 25%~50%以上,航程可增加 50%左右。


苏联地效翼船的发展和结局

 
  苏联从上世纪 50 年代开始研究地效翼船的军事应用问题。位于顿河畔罗斯托夫市塔甘罗格的别里耶夫航空设计局成为这一新型技术装备的主导研制企业之一。在这里,Р.Л.巴尔蒂尼领导他的设计小组设计了一系列代号为 ББА(垂直起飞飞机的俄文缩写)的水上飞机和地效翼船。另一家主导企业是位于高尔基市(今下诺夫哥罗德市)的阿列克谢耶夫中央水翼艇设计局(俄语简称 СКБ),该设计局拥有一支功勋卓著、水平超群的优秀技术队伍,仅红旗勋章和列宁勋章获得者就有十八名之多。作为俄罗斯水翼船之父,П.阿列克谢耶夫早在 50 年代末就开始受命领导苏联地效翼船研发项目。两个设计集体在研制之初都遇到了大量技术难题,其中包括研制重量轻且强度大的结构(在时速 500 公里飞行时仍能承受海浪波峰的冲击)和新型机体材料,必须研制改型或全新的发动机等等。苏联制定了相关的国家计划(主要用户是海军和海军航空兵),在几个方向上展开了工作:飞航导弹地效翼船,运输登陆地效翼船,巡逻-反潜地效翼船。由于地效翼船既是飞机和船舶技术的结合,又与一般概念的飞机或船舶有重大差异,阿列克谢耶夫大胆地突破飞机设计或船舶设计的常规设计路线,成功地解决了地效翼船在复杂的气水介质之间近地飞行环境中的稳定性这一关键的技术难题,创造性地找到了地效翼船独特的气动水动布局:即抬高平尾、首部前置发动机气流垫升的地效翼船布局外形。技术积累使得前苏联/俄罗斯在地效翼船的研制和开发方面居于世界领先地位,至今已经发展了以下几个系列的地效翼艇。

俄罗斯水翼船之父 П.阿列克谢耶夫
  (1)КМ 里海怪物。1960 年 СКБ 设计局研制的第一条试验艇 СМ-1 下水,标志着苏联研制地效翼船的开端。1966 年,苏联的首艘大型试验型地效翼船“КМ” (Корабля Макета 的俄文缩写,“原型船”的意思)秘密建成,被运至里海基地做飞行试验。该船长 100 多米,翼展约 40 米,起飞重量大于 540 吨(相当于 9 架国产运八运输机)。60 年代末,美国侦察卫星的照片显示里海的海面上有不明飞行物。这个体形庞大的家伙紧贴着海面,以不可思议的速度飞驰,用任何已有的交通工具都无法解释它,给它起了一个非常贴切的绰号——“里海怪物”,这一神秘的庞然大物一时轰动了全世界。在之后 15 年时间里,中央设计院对 КМ 地效翼船进行了不断试飞和改进修整。1969 年的一天,“里海怪物”照例进行试飞,当时天气不佳,海面大雾弥漫,飞行员无法分辨地平线,最终大浪拍击高速运动的机体导致“里海怪物”失事。1980 年,第二架“里海怪物”又因为飞行员操作失误坠毁在里海,但机上人员全部生还。另有一种说法是,1966 年失事的那架“里海怪物”,修复后重新投入了试飞,也就是说,“里海怪物”只制造了一架,而失事了两次。苏联科学家在对失事结果进行分析之后,继续进行研制工作。“КМ” 是后来苏联一系列大型地效翼船的始祖,试飞过程证明了当初设计思想的正确性,为地效翼船的设计制造提供了大量有价值的宝贵数据。

  苏联第一艘工程试验大型地效翼船 KM 号
  苏联 KM 地效翼船,这个角度能看出来这船之庞大,苏联人在军事技术上确实全宇宙第一变态和邪恶。
  (2)别里耶夫飞机设计局的系列地效翼船。首先是充满科幻色彩的 ВВА-14 型垂直起降水陆两用飞机。该机于 1960 年开始研制,由设计师巴尔蒂尼(Р.Л.Бартини)负责研制。ВВА-14 采用组合式机翼,宽大的机舱可以安放升力发动机、充气式浮筒滑板和机载设备。从严格意义上讲 ВВА-14 并不是一种真正意义上的地效翼船,从飞行特性看它更接近于水上飞机。该飞机既可在陆地上使用,又可在水上和雪地上使用,甚至可在海面上航行。它能在任何气象条件下从海上作战水域起降。由于为 ВВА-14 研制升力发动机的厂家迟迟拿不出产品,巴尔蒂尼被迫将其改为水上飞机。1972 年 9 月,完成第一次试飞。由于事先没有获得苏联海军的批准,ВВА-14 中途流产,但试飞成功为巴尔蒂尼研制后续地效翼船奠定了基础。1963 年巴尔蒂尼提出 2,500 吨地效翼船计划,该船采用双体机身,长 200 米,翼展2 50 米,可在水面以上 12 米高度高速飞行。1965 年由乌赫托姆斯基直升机制造厂生产出长 20 米的动力缩比模型,开始在亚速海的塔干罗格湾进行拖带实验。遗憾的是,由于巴尔蒂尼逝世,这项计划也没有实现。

ВВА-14 缩比模型
 

苏联别里耶夫设计局巴尔蒂尼曾经提出的另一种地效翼船
 

苏联别里耶夫设计局 2,500 吨地效飞船模型
  (3)“雏鹰”系列(904 型)。904 型是苏联用于远程登陆的两栖作战地效翼船,绰号“雏鹰”由中央水翼艇设计局负责研制,总设计师为阿列克谢耶夫,由下洛夫哥罗德造船厂生产。该机于 20 世纪 60 年代开始设计,1972 年开始试航。长 58 米,起飞重量 120 吨,航程 1,500 公里,载重量达 20 吨,虽然“雏鹰”号称能够承载 200 名士兵或 2 辆 BTR-80 装甲运兵车,但因为机体强度与货仓空间限制,实际只能承载 1 辆。动力装置为两台用于起飞的 НК-8-4К 型涡喷发动机和一台装在垂尾上的用于巡航的 НК-12МК 型涡桨发动机。在其研制过程中使用了大量新技术方案。其设计性能在海上试验中得到了验证:通过前发动机向翼下吹气,以相对较低的速度脱离水面,加速到较高的速度,并稳定地保持在地面上方,能用起落架上岸。后来据称该地效翼船能以飞机状态飞行,但并未得到文件的证实。1979 年至 1983 年,苏联海军航空兵陆续装备了 3 架“雏鹰”904 型地效翼船,即 МДЭ-150(1979 年 11 月),МДЭ-155(1981 年 10 月),МДЭ-160(1983 年 12 月),同时组建了第 11 独立航空大队。根据苏联国防部 1984 年 10 月的档案显示,904 型 МДЭ-150 号登陆地效翼船的试飞性能为,其飞行速度 350 公里/小时,正常飞行重量 100 吨,航程 1,100 公里,飞行重量 122 吨时起飞滑跑距离 2,400 米,离水速度 230-240 公里/小时,水平飞行高度 0.8-2.3 米。这架苏联海军列装的第一艘地效翼船,于 1992 年失事,一名机组人员丧生。最后一艘 МДЭ-160(С-26)号地效翼船在莫斯科郊区的希姆基水库有了自己的安身之地,将其改造为电影放映厅,在那里放映表现其辉煌历史的影片。

苏联 904 型远程登陆两栖作战地效翼船
“雏鹰”号的民用型,在 2009 年莫斯航展上,估计又是一个钓鱼骗银子的项目
  苏联 904 型鹞号地效翼船-5 最后一艘 МДЭ-160 号,最后的归宿是改成了江边电影院。
  (4)“鹞”系列(903 型)。903 型是苏联用于海上导弹突击的飞航导弹地效翼船。1970 年代末,著名的导弹设计师 А.别列兹尼亚克提出了适用于从地效翼船上发射的舰载导弹方案。此方案得到了海军领导人的支持,于是向中央水翼艇设计局提出了设计飞航导弹地效翼船的战术技术任务,同时任命 Б.索科洛夫为总设计师。原型机于 20 世纪 80 年代初开始研制,1983-1986 年在下洛夫哥罗德“伏尔加”造船厂建成“鹞”号,1989 年通过国家试验。 “鹞”号重 400 吨,可同时发射 6 枚“白蛉”超音速反舰导弹,被人称为“突击美国航空母舰的利剑”。 903 型地效翼船在工程上比 904 型“雏鹰”号复杂得多。它飞行速度可达 550 公里/小时,可抗 5 级风浪(浪高 3.5 米),起飞重量约 400 吨,航程达 3,000 公里。根据苏共中央和苏联部长会议 1980 年 3 月 26 日的决议,决定在第十二个“五年计划”中建造 4 艘 903 型飞航导弹地效翼船。海军总部则通过了建造 7 艘的决议草案。1984 年,海军造舰总局向海军航空兵通报了增加地效翼船数量和在波罗的海舰队组建地效翼船兵团的计划,计划追加建造 22 架 903/904 型地效翼船,最终在 2000 年前后组建两个共装备 120 艘大型地效翼船的海军航空兵师。
903 型飞航导弹地效翼船三面图
  然而世事难料,1985 年,曾千方百计支持发展包括地效翼船在内的新式武器的苏联国防部长 Д.乌斯季诺夫去世。新任国防部长 С.索科洛夫中止了地效翼船建造计划,而原来的拨款用于扩大核潜艇舰队。苏联海军后来也丧失了对地效翼船的兴趣,位于里海岸边里海城的秘密基地被废弃。虽然还未彻底下马,但地效翼船在苏联的科研开始放缓,1986 年 7 月 16 日,一架 903 型地效翼船下水并被运往里海城。到年底之前在那里进行了续建、试验和出海。1988 年初,苏联海军总司令部决定委托中央空气流体动力研究所研究地效翼船的高空飞行问题。推测飞行高度不超过 150 米,速度 400 公里/小时,但研究工作后来不了了之了。1989 年 12 月,903 型地效翼船进行了国家鉴定试验,在世界上首次从飞行时速 500 公里的地效翼船上发射了反舰导弹。在高尔基市“伏尔加”造船厂建造的第二艘 903 型,由于装备开支削减,在建成了近三分之二后被改作搜索救援地效翼船,被命名为“救援者”号。该船计划装备最现代化的海上搜索救援设备,它具有 903 型的飞行性能,能搭载 800 人。从值班状态到做好飞行准备只需 15 分钟。其特点是飞行安全性高,作地效飞行时舒适性好。在进行救援时可提供专业医疗救护,包括高压氧舱、外科手术等。“救援者”号计划用于在北方舰队和太平洋舰队组建救援分队。到 2000 年初,俄罗斯海军只剩下 1 架 904 型和 1 架既未列装、从 1989 年起也再未飞行的 903 型。2001 年的国防订货未给这两艘地效翼船拨款,因此可以推测,俄罗斯海军编成内已经没有地效翼船了。

苏联 903 型飞航导弹地效翼船

2009 年莫斯科航展上展出的 903 民用型地效翼艇
  (5)“雨燕”系列。“雨燕”是多功能小型地效翼船,研制于 20 世纪 80 年代,1991 年通过国家试验,并开始装备俄罗斯海军,用于训练海军地效翼船驾驶员,总设计师为俄罗斯中央水翼船设计局的布拉洛夫。机体材料为铝镁合金,装有两台 113kW 的活塞发动机,起飞质量为 1,360kg,巡航速度为 160-170km/h,最大飞高 800m,最大航程 500km。在双座型的基础上,还设计了 8 座、20 座的“雨燕”系列。

雨燕多功能小型地效翼船
  (6)“伏尔加”系列。“伏尔加”是气垫型地效翼船,也称之为气垫式地效艇,是一种可在内陆江河、湖泊、水库进行高速客运及公务运输的气垫式客艇。俄罗斯地效翼船之父阿历克谢耶夫在其晚年时终于觉悟到发展动力增升地效翼船的困难,从而着手开发更符合民用的动力气垫船“伏尔加”。此型船采用较小的机翼展弦比,在使用前置导管桨时,机翼与浮舟和襟翼一起形成很好的气垫系统,它不仅有很好的起飞性能和较小的越峰阻力,而且具有一定的两栖性与可登陆性。此型艇高速时飞高很小,即贴近水面航行,且只能在极强的地效区航行,因此俄罗斯称其为动力气垫船。艇体由铝合金制成。它装两台总功率 210kW 的活塞发动机,带动两副螺旋桨。艇体下部设有封闭的气室区。艇身长 11.3m、宽 7.6m,舱内设有 8 个座位,总重 2.5t,航速约 120km/h,航程 500km。它适于在内陆水域,起降时风速不大于 10.0m/s、浪高不大于 0.5m,掠航时浪高不大于 1.0m 的条件下使用。旅客上下艇均在岸滩上,可全年营运,可航行于水面、冰面、雪面和相对平坦的地面上。首架艇于 1986 年完工,而后经过了复杂、严格的试验,并按试验结果进行了修改设计,在下洛夫哥罗德“索科尔”机器厂生产。后来,在“伏尔加”-2 型气动布局、材料结构等基础上,中央水翼船设计局又推出了该型艇的增程型设计方案,即“火箭”-2 型。

伏尔加气垫型地效翼船
  (7)“两栖星”系列。与伏尔加系列相似,该系列也是在海洋或者江河使用的小型地效翼船,其航速为 150km/h,不能飞高,掠海航行时用尾部空气舵,水上低速航行时可使用水舵控制方向,从而在任何航速下都具有良好的操纵性。

“两栖星”
  (8)1999 年俄罗斯推出一种型号为“依伏尔加-2”(ИВОЛГА-2)地效翼船(Экранолёт)。该船同时具备在地效区内外高速飞行能力和两栖性,配有两部发动机,总重 3 吨,除飞行员外,可乘载 10 人或运送 1 吨的货物。其飞行速度达 200km/h,航程 1,480km。虽然此船仅为初创阶段,但却代表一种发展方向。由于经济原因和主要技术人员“流失”到了东亚某国,该艇并未发展下去,型号终结了。但是2013年中国南海某海域试飞的一种12座地效翼船,外形与“依伏尔加-2”几乎一模一样,不禁让人产生很多联想。
“依伏尔加-2”
  在苏联解体前,科技人员已经较充分地掌握了地效翼船的技术基础,具备了建造各种类型地效翼船的实力。其间,阿列克谢耶夫为了解决民用飞机燃油效率低、售价和运营费用昂贵的问题,曾正式向苏共中央委员会报告建造民用地效翼船的计划。但出于冷战军备竞赛原因,作为秘密打击武器的地效翼船必须严格保密、防止随着商品出售使得技术流失,使得民用地效翼船发展缓慢。苏联/俄罗斯从 20 世纪 80 年代开始研制的“Бе-2500”型超重两栖地效飞机,它体型巨大,翼展达 156 米,有效载重为 700 吨,最大航速可达 800 千米/小时。专家们断言:这类超大型地效翼船,将主要用于越洋航线,并可用于科学考察任务,尤其适合海洋探索,在未来的海上基地间运送设备和补给。(文/科罗廖夫)

“Бе-2500”型超重两栖地效飞机
俄罗斯地效翼船正传
苏联/俄罗斯各地效翼船同比例对比图
俄罗斯地效翼船正传

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