[破译里海怪物之谜]里海之谜

Answer 1

　　在上世纪70年代，一颗美国卫星拍摄到在里海海面上高速飞行着一种物体，这种物体似飞机又不像飞机，似舰船又不像舰船，美国军方惊恐地称之为“里海怪物”。这个怪物究竟是什么?它紧贴海面飞行的姿态引起了美国军方的极大兴趣。
　　1989年，苏联解体之后，“里海怪物”的秘密信息才逐渐披露出来。原来，它是苏联于1966年建成的、起飞质量为540吨的大型地效飞行器试验样机。飞行器贴近地面飞行，机翼会产生比高空飞行时更大的升力，这种现象就是所谓的“地面效应”。“里海怪物”实际上是一个从水面起飞在水面降落，能紧贴水面高速飞行的大型飞行平台。
　　1993年～1995年间美国国会专门拨款500万美元，指示国防部远景研究计划局，研究地效飞行器概念并向国防部报告地效飞行器的军用需求。为此，远景研究计划局派专家到俄罗斯做广泛调查、考察实物、观看飞行，并对苏联地效飞行器性能、参数进行分析，探讨对其优化和向大型化推广的可行性。地效飞行器为什么会引起苏联和美国这么大的兴趣呢?
　　
　　船能离开水面航行吗
　　
　　在人们的思维定式里，船是在水里航行的运输工具，船水关系如同鱼水关系，船离开水怎么航行呢?
　　自从空气动力学家发现了“地面效应”的原理后，传统的理念就受到了颠覆。
　　“地面效应”这种原理早在上世纪20年代，空气动力学家就已知道了。1929年，德国道尼尔公司建造了一架水上飞机，1930年～1931年飞机在横渡大西洋飞行时发现，紧贴水面飞行可增加有效载荷，航程比空中飞行更省油。这一发现，使地面效应原理得到了实践上的验证。1935年芬兰工程师卡里奥根据这一原理，做成了世界上第一架地效飞行器试验样机――雪地飞行的飞行雪橇，迈出了地效飞行器实践第一步，后因结构、发动机以及飞行力学等多方面问题没有很好解决，限制了它的发展。
　　但是，人们始终没有放弃研究地面效应原理。到了20世纪60年代，苏联中央水翼船设计局总设计师阿列克谢耶夫，接受了海军要求研究高速舰船的任务。为了提高船速，人们搞过水翼船、气垫船和其他各种形式的船舶。但当船速超过100千米／小时后，由于出现了水动力学上的空穴效应，船速再要提高就很困难了。这时，阿列克谢耶夫想到利用地面效应，如果船能离开水面飞行，就可大大减少船在水中航行的阻力，因为空气密度比水小得多，只为水的八百分之一。在空气中飞行，再加上充分利用地面效应，完全可以大幅度提高船速。
　　阿列克谢耶夫从1961年建造了第一架地效飞行器的自航试验机C M-1后，又陆续建造了CM-2到CM-6等一系列大小不等的试验样机，其中，CM-2到CM-5为3.2吨到7.3吨，CM-6为26.5吨，用以改善飞行性能并为大型飞行器的研制做准备。
　　1963年，中央水翼船设计局开始研制大型地效飞行器试验样机，叫做“样船”。它的起飞质量达540吨，能装载900名全副武装的士兵。机身前部安装有8台推力为13000千克的起飞垫升发动机，此外，还在立尾中部安装了两台同样的推进发动机，用于巡航飞行。飞行速度达430千米／小时～500千米／小时。该机从1966年底建成后，直至1980年意外坠毁，在里海进行了长达十几年的飞行试验，成为俄罗斯地效飞行器发展的原型。上世纪70年代美国卫星拍摄到了这一在里海贴着水面高速飞行的物体、既不像飞机也不像船，不知是什么东西，因为“千米”两个字母正好是俄文“里海怪物”一词的字头，因此，西方国家就把它称为“里海怪物”了。它实际上是一个从水面起飞在水面降落，能紧贴水面高速飞行的大型飞行平台。
　　
　　事故频起发展艰难
　　
　　以后，世界上有许多国家开始研制地效飞行器，除苏联外，还有美国、德国等，其中苏联搞得最好，研制水平在世界上遥遥领先。
　　苏联着眼于军事应用，注重突袭和快速运输等战术要求，先后研制成功125吨级的“小鹰号”和380吨级的“雌鹞号”军用地效飞行器。“小鹰号”以360千米／小时～400千米／小时的速度，一次可运输重达20吨的全副武装士兵和包括轻型坦克在内的军用物质；“雌鹞号”以450千米／小时～500千米／小时速度飞行，可以携带3对双联装的超音速反舰导弹。苏联还研制成功了可乘坐8人的小型“伏尔加Ⅱ号”和教练机“海燕号”。
　　但是，由于技术上的困难，地效飞行器的研制并非常一帆风顺。
　　“小鹰号”最初采用了脆性较大的普通铝合金，有一回在礁石上停靠，再次起飞后受到海浪冲击，折断了后机身，当时总设计师阿列克谢耶夫也在上面，他果断地驾驶损坏后的飞机回到了岸边。因为这次事故，阿列克谢耶夫受到了降职处分。
　　美国在20世纪60年代末期就开始地效飞行器的原理-l生研究和试验工作。他们也同样着眼于军用，重点目标是长距离越洋运输，快速运送武装人员、装备和给养。1964年前后，美国在研制大型地效飞行器过程中，由于飞行稳定性和起飞抗浪等关键技术难题没有解决，在试飞中遭遇到两次重大失败，决定停止研制工作。到了90年代中期，美国又重新提出发展大型地效飞行器的设想，几年前，美国波音公司透露了其超大型地效飞行器“鹈鹕号”的发展计划，“鹈鹕号”的有效载荷为1270吨，作为军事应用可一次运载17辆坦克，但由于研制工作曾经中断过，美国的地效飞行器技术在激烈的竞争中已大大落后了。
　　
　　突破关键技术
　　
　　地效飞行器研制中存在大量技术难题，其中许多问题与空气动力学密切相关。
　　其一，如何充分利用地面效应的高升阻比气动构形问题。
　　由于地效区的高度正比于机翼弦长，有地效影响的高度仅为一个弦长，因此，一般地效飞行器均采用小展弦比机翼，这就限制了它的升阻比。为了获得较大的有效升阻比，必须研究各种新的布局形式，譬如复合式机翼，非平面布局，及其他有效的增升减阻措施。
　　其二，动力匹配与动力增冲原理和方法。
　　地效飞行器在起飞过程中为了克服水中滑行时的阻力峰，需要很大的功率储备；但在地效区内飞行时，由于升阻比较高，因此，需用功率要小得多，为起飞而用的发动机在飞行过程中则成为无用的重量负担。这方面的矛盾，给动力系统设计带来很大困难。
　　为解决这一问题，人们想到了将发动机或螺旋桨的尾流导入翼下，这样可以获得很大的增升效果，减小起飞时的动力需求，缓解动力匹配的矛盾。这些改动，与发动机尾流、机翼、端版、襟翼等设计参数以及翼下垫升腔内空气的复杂流动状态有着密切的关系。
　　其三，起降抗浪能力。
　　起降抗浪能力是影响地效飞行器在海上使用的一个重大障碍。目前已有的大型地效飞行器，如俄罗斯的“小鹰号”，起飞抗浪高度大约为1.5米；380吨级的“雌鹞号”也不过2.5米。原则上讲，地效飞行器尺寸越大，抗浪能力越强。但在一定尺度下，采用滑行水橇、动力气垫、割浪装置和优化机身下部的线型设计等，都是提高抗浪能力的可能途径。
　　其四，近地掠海飞行的稳定性和飞行控制。
　　这是地效飞行器研制中最重要的关键技术问题。在地效区内飞行，作用在飞行器上的气动力和力矩随高度而变化，除常规飞机的“攻角焦点”外，地效飞行器还存在一个与飞高有关的“飞高焦点”。它们相对于重心的配位关系，直接影响飞行器的纵向稳定性；搞得不好，将会引发各种非稳定运动模态，严重时，还可能造成失稳触水而损毁的灾难性后果。在飞行控制方面，由于飞行高度极低，对小高度表精度、控制系统响应时间等，要求非常高，控制难度很大。因此，要深入研究稳定性裕度的选取原则和量化指标，以及高效可靠的控制方法，确保地效区内、外飞行的绝对安全。
　　综上所述，地面效应空气／水动力学的研究为解决上述关键技术问题作出了重要贡献。(上)