地效翼船的特点及在我国的应用前景

2016-07-13丁一文吴家鸣

广东造船 2016年3期

关键词：气垫机翼动力

丁一文++吴家鸣

摘要：地效翼船是高性能船舶发展中逐渐为业界所关注的一种新型高速水面运载工具，拥有广阔的发展空间。本文对三类地效翼船的优势及局限性进行了介绍，同时结合我国的现状阐述了地效翼船在我国商业与军事领域的应用前景。

关键词：地效翼船；特性；前景

中图分类号： U674.943 文献标识码：A

Characteristics and Prospects in China of Wing-in-Ground-Effect Craft

DING Yiwen，WU Jiaming

（ South China University of Technology， Guangzhou 510640 ）

Abstract： The wing-in-ground-effect craft （WIG craft） is a high-performance ship with huge market potential and broad space for development. This paper describes the advantages and limitations of three types of WIG craft and expounds the prospects of WIG craft in China's commercial and military fields.

Key words： Wing-in-ground-effect craft； Characteristics； Prospects

1 概述

在过去的半个多世纪里，飞机、火车和汽车的速度均有大幅度的提升，运输效率得到很大提高。海上运输占国际贸易总运量的三分之二以上，但是作为海上运输主力的船舶，其航速却始终徘徊在50 kn以下。虽然先后也研制出了一系列高速水面船艇，例如气垫船、侧壁式气垫船、水翼艇、小水线面双体船等，但航速依然不高，问题的关键在于上述船舶与水面有不同程度的接触，要想解决高速的问题，其中一种思路就是要设法使船体完全脱离水面运行，而地效翼船就是按此思路发展起来的一种具备高航速与高运输效率的水面运载工具。

地效翼船是一种能够以较低飞行高度高速飞行的新型船舶。虽然它能够飞行，但依然是属于船舶的一种，具有起降便利、造价低廉、维护成本低、安全性能高、用途广泛等特点，是一种应用前景广泛的新型高性能船舶。

地效翼船与飞机的飞行原理有很大的差异。飞机是依靠机翼上下表面压力差产生的升力支撑自身重量使其飞行，而地效翼船则主要依靠地面效应。所谓地面效应是指当机翼贴近地面或水面（通常飞行高度不超过机翼弦长）飞行时作用在机翼上的垫升力突然增加的现象。由于机翼下表面与地面或水面之间的空气流动阻塞，使得机翼下表面压力增大从而使升力增加，并且机翼接近地面或水面时由翼尖涡流引起的下洗速度会降低，因此也减少了翼尖涡流诱导速度引起的诱导阻力。机翼飞行高度与机翼弦长之比在0.1～0.5的这一区域称为强地效区，在强地效区范围内，地效翼船船翼的升阻比要比飞机的机翼高，对于同样的发动机功率，地效翼船产生的升力比要比飞机大、载重系数高，因此，地效翼船的经济性比飞机要高得多。

2 地效翼船的种类和特点

目前世界各国所研制的地效翼船大致可分为三类：动力增升地效翼船、动力气垫船和动力气垫地效翼船。

2.1 动力增升地效翼船

地效翼船在初始阶段，针对起飞较为困难、对起飞条件要求高、受环境影响较大等缺陷，研发人员在船翼前方安装了喷气装置，即导管螺旋桨或涡扇发动机，以此来改善起飞条件，提高地效翼船的性能，由此而发展出一种技术较为成熟的地效翼船--动力增升型地效翼船（图1）。

2.1.1 主要优点

（1）巡航速度高。动力增升型地效翼船的巡航速度是全垫升气垫船、侧壁式气垫船、双体船和水翼艇的3～5倍，是排水型船的10倍以上；

（2）运输效率高。动力增升型地效翼船的运输效率[功率/（有效载荷×航程）]约为飞机的2倍，是全垫升气垫船、侧壁式气垫船和水翼艇的2～4.5倍；

（3）活动空间大。动力增升型地效翼船具有较大的飞行高度，具备爬升能力，活动空间更大；

（4）隐蔽性高。由于该船能够以较低的飞行高度贴近水面或地面运行，不易被雷达监测，适合隐蔽的军事行动。

2.1.2 主要缺点

（1）缺乏两栖性。动力增升型地效翼船的气动布局决定其只能在水面起飞和降落，缺乏两栖性；

（2）停泊靠港困难。由于其船翼和尾翼等部件突出，展弦比较大，所以很难与码头和其他船只靠绑；

（3）适航性和操纵性较差。在起飞和降落的滑行期间，作用在船体上的水动力载荷较大，运动有些不稳定。又因其气动布局和高速性，起飞距离长，回转半径也很大；

（4）事故风险高。由于航速很高，其碰撞风险远高于常规高速海船，要求其导航设备需与船速相匹配。

2.2 动力气垫船

动力增升型地效翼船由于经济性差故在民用领域应用很少，为了降低运营成本，在动力增升型地效翼船的基础上又研发了一种新型的地效翼船，即动力气垫船。该船型采用大弦长、小展弦比船翼，船翼两侧加设浮体，船翼随边设有襟翼，前置式空气导管螺旋桨将压缩空气送入由船翼、浮体与襟翼组成的动力气垫腔而形成一种动力气垫，使船能够静垫升，因此具有两栖性（图2）。但由于其小展弦比，升阻比低于动力增升型地效翼船。

2.2.1 主要优点

（1）良好的两栖性能。类似于两栖气垫船，能在不平整的地面运行，如沼泽、沙滩、雪地、草地等；

（2）稳定性较高。在强地效区飞行具有其较好的稳定性，不需要复杂的自控设备，造价低，易维护；endprint

（3）操作简便。没有太过突出的结构，并且其流体动力特性与气垫船相仿，对于驾驶员的技术并无特殊要求，易于操作。

2.2.2 主要缺点

（1）航速不能过高。由于其展弦比较小，升阻比低于动力增升型地效翼船，航速一般为70～150 kn。

（2）耐波性较差。不适合复杂的海况或宽阔水域，俄罗斯典型的动力气垫船“伏尔加-2”号只在内河运行。

2.3 动力气垫地效翼船

动力气垫地效翼船（图3）也采用小展弦比的船翼，但它将动力气垫船中的浮体改为垂直侧壁型的浮舟，由此船翼、垂直侧壁型浮舟与襟翼连在一起形成了比动力气垫船效率更高的动力气垫系统，它不仅有很好的起飞性能及较小的越峰阻力，而且具有一定的两栖性与可登陆性。

2.3.1 主要优点

（1）经济效益高。油耗较低与气垫船接近，但在相同的升阻比下，其傅汝德数要高出水翼艇、气垫船2～3倍，设计航速可达150 kn，建造和维护相对简单，成本较低；

（2）运行特性优良。能在水中航行，也能在气垫状态下中速飞行和地效区内高速飞行；可在宽阔的海面上运行，也能在内河航行，并且具有良好的两栖性和可登陆性；运行时兴波较小，不会对附近设备和船只造成影响；

（3）耐波性和稳定性良好。由于有一定的飞高和较强的气垫作用，所以耐波性优良，并且峰值阻力较低，有良好的起飞降落性能，在风浪中失速较小；

（4）安全性高。飞行高度相对较低，具有良好的稳定性，安全性能高，不需要复杂的自控设备，驾驶操作简单；

（5）起飞条件要求低。无需特种设备，也不需要机场跑道和停泊码头，可在沙滩、草地等支撑压力较小的场地起飞降落；

（6）隐蔽性能高。超低空飞行，尤其适合军事用途。

2.3.2 主要缺点

（1）飞行高度不能太高。由于其小展弦比而不能飞得太高，其气动力性能有待提高，只能在地效区内运行，并且飞得过高就会带来动力增升型地效翼船的缺点，难以在客运系统推广；

（2）设计难度高。设计气动力布局时要考虑其高速性、两栖性、耐波性等，包含了气动力学和水动力学，设计难度很大。

3 地效翼船在我国的应用前景

现今国际航运市场低迷，国内造船业陷入困境，并且还无法预测我国造船业走出困境还需多久，故地效翼船或许是增强我国竞争力的一个不错的选择。

3.1 商业前景

我国有300多万km2的海域面积，海岸线总长约32 000多km，岛屿约5 000多座。除此之外，我国内河资源也相当丰富，拥有5 000多条河流和众多湖泊，这些水域都适合地效翼船运行，为我国发展地效翼船提供了广阔的空间。虽然目前我国已有多艘地效翼船试飞成功，但几乎没有投入商业运营的实例。

地效翼船的潜力是巨大的，在商业方面可以总结为以下几个方面：第一，货物运输。地效翼船很适合海上快速运输，有着可比肩于飞机的速度，并且比飞机运输效率高得多，运输成本也低得多。并且不需要起飞降落用的机场跑道，这是它突出的优势；第二，客运行业。我国有很多适合地效翼船的航线，例如上海至青岛、重庆；烟台到大连等。据报道，乘坐普通的公务船从海南三亚到西沙永兴岛耗费大约15个小时，而乘坐2014年海试成功的“翔洲1”号却只需一个多小时；第三，后勤补给和工程维修。我国的海洋工程很多，当某些工程出现故障或发生事故时，例如海上风电或海洋平台，此时地效翼船能够以更快的速度和更高的效率将需要的资源、设备及工作人员运送到位；第四，旅游娱乐。随着地效翼船的发展，它能像游艇一样成为旅游娱乐的一种工具。

3.2 军事前景

地效翼船在军事方面的应用更加前景广阔。随着世界局势的不断发展以及我国海洋强国战略的实施，再结合地效翼船自身的特性与当前我国国情，在可预见的未来地效翼船将会发挥巨大的作用。

近年来我国与周边国家的海洋局势不断地复杂化，中日钓鱼岛争端、南海争端等，都需要具备海岛快速到达及迅速现场处置的能力。大型飞机受到机场方面的限制，水上飞机又运输能力有限，而各类舰船又速度太慢。所以从目前的实际情况出发，我国的军事、海监、渔政等部门迫切需要一种具备多种运行状态、高速、隐蔽及大载运量的高效运输工具，大型地效翼船将会是满足这些需求的一种非常合理的选择。地效翼船的军事用途一旦被成功运用，那么我国海军用以守卫国家安全的力量将会更加强大。

4 结论

在气动、结构、稳定性和控制等方面地效翼船有其特殊性和复杂性，并且在大型化过程中也存在尚待解决的问题，动力选择便是一个不容忽视的难点。但是结合地效翼船的特性和广大运用前景，加大对地效翼船的开发研究力度，尤其是对地效翼船大型化的研究显得更为重要，集中突破一些技术难题，我国将在地效翼船领域的竞争中收获良多。

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