美國要造新型地效飛行器,“裏海怪物”魅力何在?

 8月18日,美國國防高級研究計劃局(DARPA)向工業界公開招標,尋求能有效支持研發新型地效飛行器的相關技術。按照目前已經公開的信息,這種新型地效飛行器的有效載荷有望超過100噸,可以同時攜帶多輛兩棲車輛。

地效飛行器是一種介於傳統意義上“船”與“飛機”之間的交通載具,它在巡航時,能利用地麵效應(簡稱“地效”)狀態下的超強升力,把整個機身完全托舉起來、離開水麵,從而極大的減小航行阻力。

地效飛行器在速度上能接近低速飛機,而載重能力則大大超過低速飛機。

DARPA對地效飛行器的興趣,既不難以理解、也不新鮮:從上世紀50年代末以來,沒有哪個軍事強國不曾嚐試過地效飛行器的實用化研究,其中尤其以蘇聯投入的資源最多、取得的工程進展最令人矚目——

蘇聯研發的地效飛行器KM

蘇聯所打造的地效飛行器KM是全球最為知名的地效飛行器。這架被西方稱為“裏海怪物”的地效飛行器實際上是KM(意為“軍用樣艦”)試驗船,僅製造一架,於1980年12月墜毀,因船身解體未能打撈。

下圖這種帶有導彈發射裝置的地效飛行器也是蘇聯製造,名為“雌鷂”,但後來它也經常被混淆為“裏海怪物”。

雖然近年來,俄羅斯與美國等多國陸續傳來關於地效飛行器的招標或者立項消息。但至今為止,除了一些內陸湖泊中規模極小的實驗性運用外,地效飛行器在全球各國都未實現規模化應用。

這種超越國家意識形態陣營的共性現象,背後一定有著核心原理上的巨大局限性問題;這個問題不能得到根除,則地效飛行器的實用依然不會得到突破——包括DARPA此次的研究在內。

地效:是優勢,也是桎梏

地效飛行器的最大優勢,在於其較高的速度與相對較大的載重量。

一些動力較為強勁的地效飛行器,如“裏海怪物”KM試驗船,其最大巡航速度能達到500公裏/小時。

即便向航程和經濟性等方麵的因素進行妥協,地效飛行器的合理速度依然能輕易達到300公裏/小時左右;這種速度性能,是傳統高速艦艇、甚至氣墊原理艦艇都根本無法企及的。

這樣的高速優勢來自於“地麵效應(地效)”——

機翼在距離地麵或者水麵非常近的時候,升力會猛烈、突然地增加。通常而言,這個高度與機翼的翼展大小密切相關;根據現有不同型號的實際性能統計,地效飛行器的飛行高度,根據自身翼展大小不等,通常在0.1米至5米之間。

但這樣的飛行高度,也限製了地效飛行器的運載性能——越是要充分利用地效來強化飛行器的運載性能,它在脫離地效高度以後就越是沒有足夠的升力來維持飛行。而如果企圖在設計中強化地效飛行器的運載功能,就會陷入和水上飛機同質化的窠臼,並喪失自身的性能優勢。

俄羅斯別-200水上飛機

基於這一限製,目前大多數的地效飛行器都不具備躍升能力,而少數型號的躍升能力也不會高於50米。由於允許的飛行高度、轉彎坡度非常有限,因此地效飛行器的轉向能力普遍非常差,轉彎半徑也常常大的離譜——比如裏海怪物KM的轉彎半徑就達到8000米。

此外,在高速觸水之外,飛行失控也是地效飛行器的攔路難題。

2020年8月4日,俄羅斯一架orion-20地效飛行器水麵在試飛中墜毀

雖然地效飛行器的擁躉常常表示,地效飛行器“一般具有爬升到地效區外並在自由空間飛行的能力,因此其操縱空間可以擴展,並用內傾飛行來改善回轉操縱性。”但在實際型號研發中是難以實現的:這種能力的實現,需要在極大程度上以犧牲地效飛行器載荷性能為代價才能獲得,是阻礙地效飛行器實用化的核心關鍵之一。

從“船”到飛行,難題不止一個

此外,在不到5米高的範圍內,以300至500公裏/小時的極高速度進行巡航,其風險是顯而易見的:一旦遭遇突風、大浪,地效飛行器幾乎沒有反應餘地,隻要船身高速觸水,便極易導致災難性的事故。KM的墜毀就是典型的例子——

地效飛行器有三個航行狀態:

在低速階段,它類似於普通的排水快艇;在過渡階段,需要利用船艏發動機的增壓送氣模式,在機翼下噴射高壓氣體形成氣墊——此時它以氣墊船式的原理前進;在船身完全脫離水麵之後,才能進入真正的地效飛行模式。

在1980年12月的事故中,KM在起飛過程中由於高速觸水而墜毀,船身結構解體。而當時KM尚未完成整個起飛過程,飛行速度還尚未達到每小時250公裏/小時。如果是在400-500公裏/小時的最大速度巡航狀態下觸水,結局將更為慘烈。

此外,KM的墜毀事故還暴露出了另一個非常嚴重的問題:在限製極為嚴格、僅有幾米的飛行高度範圍中,保持地效飛行器的穩定控製是一件非常艱難的工作。KM和“雌鷂”的駕駛操縱,就對駕駛員的技能和反應狀態要求十分苛刻。

“雌鷂”駕駛艙

即使是現代的全權限數字化控製技術,能夠極大幅度減輕駕駛員的操縱負擔;但是地效飛行器在高速巡航狀態下,其運動過程在空間與時間上的極低容錯特性,依然是無法被扭轉的。

雖然為了解決以上問題,各國的地效飛行器設計師們也付出了各種各樣的努力。但從上世紀50年代末期至今,地效飛行器的研發過程中,真正稱得上技術進步的,仍僅限於如何更高效的形成和利用地效升力方麵——

比如利用螺旋槳氣流和發動機噴流,來對機翼進行強力的動力增升。

俄羅斯A-050地效飛行器

對於地效飛行器來說,這些努力的成果都是“錦上添花”。對於最關鍵問題,比如避免惡劣環境下的高速觸水風險,低代價的實現地效區外的躍升甚至飛行能力,強化轉向能力上,至今缺乏真正的突破性成果。

也因此,在可見的未來,DARPA的研究依然無法脫離現有的理論基礎和工程技術極限,在缺乏強力理論和關鍵技術變革的情況下,能形成實用化成果的可能性並不高。