從水上飛機(jī)到“翔州一號(hào)”

那顏

2014年冬季，海南。

平靜的海面上出現(xiàn)了一個(gè)奇怪的身影。說(shuō)它是船，卻能在天上飛；說(shuō)它是飛機(jī)，又能在水面航行。它的速度高達(dá)210千米/時(shí)，普通船只完全不是它的對(duì)手。這艘名為“翔州一號(hào)”的怪船，吸引了全中國(guó)的眼球。默默無(wú)名的地效翼船，從此走進(jìn)人們的視線。

“地效翼船”究竟是什么？它與水上飛機(jī)有什么關(guān)系嗎？

地效翼船的大名叫“空氣動(dòng)力地效翼船”。在20世紀(jì)60年代，它曾被稱為“地效翼飛行器”“地效飛機(jī)”“地效飛船”。這些曾用名忠實(shí)地記錄下地效翼船與水上飛機(jī)之間的“血緣關(guān)系”。

水上飛機(jī)：地效翼船的起點(diǎn)陸地飛機(jī)的起降離不開(kāi)機(jī)場(chǎng)。在飛機(jī)發(fā)展的早期，機(jī)場(chǎng)的數(shù)量有限，跑道也很簡(jiǎn)陋，飛機(jī)起落時(shí)起落架容易發(fā)生意外。此外，風(fēng)向也會(huì)對(duì)飛機(jī)的起降有影響。相比而言，水上飛機(jī)所受到的限制就比較小。地球表面約71%的面積都被水覆蓋，平整的水面就是水上飛機(jī)最好的起降場(chǎng)所。也是因此，早期的水上飛機(jī)和陸上飛機(jī)幾乎是同時(shí)發(fā)展的。

水上飛機(jī)簡(jiǎn)稱“水機(jī)”，泛指一切利用水面降落與停靠的現(xiàn)代科技飛機(jī)。根據(jù)漂浮的方式不同，可分為船身式和浮筒式兩種。前者將機(jī)身設(shè)計(jì)成符合水面滑行要求的船型：后者則將陸地飛機(jī)的起落架換成浮筒。通常情況下，小型水上飛機(jī)會(huì)采用浮筒式設(shè)計(jì)，大型水上飛機(jī)會(huì)采用船身式設(shè)計(jì)。

地效翼船的“前世”就是船身式水上飛機(jī)。人們習(xí)慣稱它為“水上飛船”或“飛機(jī)巡洋艦”。為了更好地維持機(jī)身的平衡，水上飛船的機(jī)翼下也會(huì)安裝浮筒。

水上飛船不僅擁有斧刃形的龐大船體，還像飛機(jī)一樣擁有機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、螺旋槳和起落架。當(dāng)它在水面降落時(shí)，船體所產(chǎn)生的浮力使它漂浮起來(lái)，絕無(wú)下沉之憂尤。起飛時(shí)，螺旋槳所產(chǎn)生的拉力拖著它在水面快速滑行，就像陸地飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)跑道上滑行一樣。滑行的速度越來(lái)越快，當(dāng)機(jī)翼所產(chǎn)生的升力戰(zhàn)勝了自身重力，水上飛船就能脫離水面飛向空中。

水上飛機(jī)的起降都在水上進(jìn)行，不需花費(fèi)高昂的成本去建設(shè)和維護(hù)機(jī)場(chǎng)。此外，由于技術(shù)原因，在飛機(jī)發(fā)展早期修建的機(jī)場(chǎng)跑道大多較簡(jiǎn)陋，地面平整度遠(yuǎn)不及現(xiàn)代機(jī)場(chǎng)。相較而言，反而是平靜的水面更適合飛機(jī)的起降，因此水上飛機(jī)很受人們的推崇。

陸地機(jī)場(chǎng)建設(shè)的普及，使水上飛機(jī)逐漸從鼎盛走向了衰落。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，使陸地飛機(jī)迎來(lái)了它的春天。地效翼船的橫空出世，是否能為水上飛機(jī)的發(fā)展開(kāi)拓出一條新路呢？

翼地效應(yīng)：地效翼船的生命之源

1932年5月，北大西洋的天空被一層灰霧所籠罩。灰霧中傳出發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴聲，一架德國(guó)“道尼爾Do-X”大型遠(yuǎn)程水上飛機(jī)正在進(jìn)行低空試飛。忽然，發(fā)動(dòng)機(jī)的轟鳴聲變小了，飛機(jī)鉆出灰霧一頭栽向海面，原來(lái)是飛機(jī)上配備的六臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中的四臺(tái)供油管路被堵塞了。眼見(jiàn)一場(chǎng)機(jī)毀人亡的事故即將發(fā)生，奇跡出現(xiàn)了。當(dāng)飛機(jī)距離海面只有幾米時(shí)，一股神奇的力量從海面升起，托起了即將墜落的飛機(jī)。在這股神奇力量的幫助下，這架“道尼爾Do-X”水上飛機(jī)完好無(wú)損地飛回了岸邊。

其實(shí)這種“被托著”的現(xiàn)象并非第一次出現(xiàn)。當(dāng)飛行員駕駛水上飛機(jī)貼著水面飛行時(shí)，或多或少會(huì)有這種“被托著”的感覺(jué)。一旦拔高到一定高度后，這種“被托著”的感覺(jué)就會(huì)消失不見(jiàn)。科學(xué)家將這種神奇的現(xiàn)象稱為“地面效應(yīng)現(xiàn)象”或“翼地效應(yīng)現(xiàn)象”。

空氣動(dòng)力學(xué)家最早對(duì)此做出權(quán)威解釋：當(dāng)運(yùn)動(dòng)的飛行器貼近地面或水面飛行時(shí)，氣流流過(guò)機(jī)翼后會(huì)向后下方流動(dòng)，這時(shí)地面或水面將產(chǎn)生一股反作用力。當(dāng)飛行器在距離水面等于或小于1/2翼展的高度上飛行時(shí)，整個(gè)機(jī)體的上下壓力差增大，升力會(huì)陡然增加，阻力減小，阻擋飛行器機(jī)翼下墜。

與其他機(jī)型相比，“道尼爾Do-X”水上飛機(jī)貼著海面飛行時(shí)，這種“被托著”的感覺(jué)更明顯。科學(xué)家研究后發(fā)現(xiàn)，造成這種差異的根本原因是“道尼爾Do-X”的機(jī)翼。“道尼爾Do-X”獨(dú)家使用了寬翼展、小展弦比的機(jī)翼，這有助于形成翼地效應(yīng)。

如果人為地放大這種翼地效應(yīng)，不就能研制出更快速更省功耗的新型運(yùn)輸工具了嗎？翼地效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)似乎為水上飛機(jī)的發(fā)展指出了新方向。這種使飛行器誘導(dǎo)阻力減小，同時(shí)獲得比空中飛行更高升阻比的物理現(xiàn)象，被稱之為“翼地效應(yīng)”。翼地效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，開(kāi)創(chuàng)了地效飛行技術(shù)。1935年，芬蘭工程師卡里奧研制出了世界第一艘“既會(huì)飛、又會(huì)游”的船，這就是最早的地效翼船。當(dāng)時(shí)它被稱為“沖翼艇”。

第二次世界大戰(zhàn)后，世界各國(guó)紛紛加入了地效翼船的研發(fā)工作。然而，這種繁榮的景象并沒(méi)能持續(xù)太久。除了蘇聯(lián)外，其他各國(guó)都中斷了研究。

星海怪物：蘇聯(lián)地效翼船的開(kāi)山掌門

早在1923年蘇聯(lián)就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)翼地效應(yīng)的研究了。等到第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，蘇聯(lián)已經(jīng)擁有兩家研制地效翼船的設(shè)計(jì)局了，即鼎鼎大名的別里也夫飛機(jī)設(shè)計(jì)局和阿列克謝耶夫中央設(shè)計(jì)局。20世紀(jì)50年代末，被后世稱為“俄羅斯地效翼船之父”的阿列克謝耶夫接手了蘇聯(lián)的地效翼船研發(fā)項(xiàng)目，他不走常規(guī)路，用獨(dú)創(chuàng)性的氣動(dòng)水動(dòng)布局攻克了近地航行時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)難題。地效翼船也迎來(lái)了最輝煌的時(shí)代。

1963年，伏爾加造船廠應(yīng)蘇聯(lián)海軍要求，開(kāi)始建造地效翼船。1966年，地效翼船首航成功。隨著技術(shù)的成熟，地效翼船的體積越來(lái)越大。20世紀(jì)60年代末，美國(guó)偵察衛(wèi)星在里海拍到了不明飛行物。這個(gè)神秘的大家伙緊貼海面飛行，飛行速度奇快。美國(guó)人無(wú)法用已有的交通工具來(lái)界定它，只能驚呼它為“里海怪物”。所謂的“里海怪物”，其實(shí)是當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)所制造的“K M”大型地效翼船。

這只“里海怪物”長(zhǎng)106米、重495噸，就當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)是真正的龐然大物。它的快速運(yùn)動(dòng)全靠翼地效應(yīng)：8臺(tái)渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)一起運(yùn)行，每一臺(tái)能產(chǎn)生12萬(wàn)7千牛的推力。這不僅為它提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力，還能在水面與機(jī)翼之間產(chǎn)生一個(gè)高壓氣墊，從而使機(jī)翼獲得額外的強(qiáng)大升力。

“里海怪物”的研制成功不僅證明了阿列克謝耶夫的設(shè)計(jì)思路是正確的，也為之后地效翼船的設(shè)計(jì)制造提供了大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)。憑借這些技術(shù)，蘇聯(lián)成為地效翼船研制和開(kāi)發(fā)方面的老大。由于受到戰(zhàn)后思維的影響，蘇聯(lián)主要開(kāi)發(fā)地效翼船在軍事上的用途，研制出飛航導(dǎo)彈地效翼船、運(yùn)輸?shù)顷懙匦б泶⒀策壱环礉摰匦б泶?/p>

1985年，蘇聯(lián)國(guó)防部長(zhǎng)烏斯季諾夫去世，新任國(guó)防部長(zhǎng)中止了地效翼船建造計(jì)劃。位于里海城的秘密基地也隨之被廢棄。在歐洲，地效翼船的研發(fā)工作從此進(jìn)入了“嚴(yán)冬”。

我國(guó)對(duì)于地效翼船的研制起步比西方國(guó)家晚。很多人從“翔州一號(hào)”才開(kāi)始知道地效翼船這一“新鮮事物”。很少有人會(huì)知道，“翔州一號(hào)”并不是我國(guó)制造的第一艘地效翼船。

從“天翼一號(hào)”到“翔州一號(hào)”：我國(guó)效翼船的商用之路

我國(guó)制造的第一艘地效翼船是“天翼一號(hào)”，由中國(guó)航空航天工業(yè)部605所研發(fā)。1995年立項(xiàng)，1998年樣機(jī)正式面世，耗時(shí)3年。“天翼一號(hào)”試飛兩個(gè)月后，“天鵝號(hào)”研制成功。這是我國(guó)第二艘地效翼船，由中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司708研究所研制。由于使用了氣墊技術(shù)，“天鵝號(hào)”不需要碼頭就能自由上下岸。

“翔州一號(hào)”由中船重工（海南）飛船發(fā)展有限公司研制，于2013年5月在馬山太湖試飛成功。它的船體總長(zhǎng)12.7米、總寬11米、總高3.9米，飛行高度可達(dá)110米，最大起飛重量為2.5噸。客艙中有4排座椅，可乘坐7人。船身有兩個(gè)艙門，便于乘員進(jìn)出和應(yīng)急撤離。

2014年4月，“翔州一號(hào)”在海南三亞完成試驗(yàn)，獲得了中國(guó)船級(jí)社頒發(fā)的檢驗(yàn)證書，完成了入級(jí)登記手續(xù)。這意味著，我國(guó)制造的海上地效翼船在商用征途上邁出了第一步，也是一大步。

地效翼船對(duì)使用場(chǎng)地不挑剔，海面、冰面、沙漠、草原或沼澤皆可用于飛行和起降。這不僅節(jié)省了建設(shè)和維護(hù)大型跑道和航站樓等設(shè)施的成本，也增加了使用的靈活性。它的飛行高度一般保持在距離水面（地面）3～5米左右，最高可達(dá)100米。在翼地效應(yīng)的加持作用下，一架相同起飛重量的地效翼船與普通固定翼飛機(jī)相比，油耗可節(jié)省一半，有效載重系數(shù)比高25%～50%以上，航程可增加50%左右。

從三亞到西沙永興島，普通公務(wù)船需要花費(fèi)15個(gè)小時(shí)，“翔州一號(hào)”只要1小時(shí)50分鐘就到了。它屬于新型地效翼船，不“吃”昂貴的航空機(jī)油，改“吃”普通的汽油啦。它每飛行100千米耗油28升，平均每千米耗油0.28升，按92號(hào)汽油每升6元折算，每千米燒油僅1.68元。毫不夸張地說(shuō)，“翔州一號(hào)”將飛機(jī)的高速與船舶的經(jīng)濟(jì)集中于一體。正是它的這些優(yōu)點(diǎn)，讓制造者看到了它的商用價(jià)值。

“翔州一號(hào)”是我國(guó)第一艘海上地效翼船，屬于沿海地效翼船的范疇。“翔州二號(hào)”（近海地效翼船）和“翔州三號(hào)”（遠(yuǎn)海地效翼船）尚在研制中。或許不久以后，以“翔州一號(hào)”為代表的地效翼船會(huì)改變島與陸地、島與島之間的聯(lián)系方式。那時(shí)，藍(lán)天碧海和貼著水面飛行的“海上飛船”將不再只是想象中的畫面。

小貼士

2004年12月，國(guó)際海事組織發(fā)布了《地效翼船暫行指南》。根據(jù)飛行高度不同，地效翼船被分為三類：

A類——僅利用地效運(yùn)行的船舶；

B類——可臨時(shí)在地效范圍以外運(yùn)行，但高度不得超過(guò)海平面以上150米的船舶；

C類——可在地效范圍以外運(yùn)行，但高度不超過(guò)海平面以上150米的船舶。

如果運(yùn)行高度超過(guò)了150米，就被歸入飛機(jī)的范疇了。至此，地效翼船是飛機(jī)還是船舶之爭(zhēng)終于塵埃落定了。