地效飞行器,或者称为地效翼船,英文名称包括:WIGE、GEV等,通过地面效应提高载重能力和经济性,历史由来已久,其适航审定由船舶管理机构(如船级社)负责,相比航空器适航审定要快捷,也不需要纳入民航管理。但是历史上由于使用环境限制、成本高等诸多原因,地效飞行器一直没有得到大范围的推广。近些年,不少国家和机构也开始重新审视新的动力技术、飞行控制、低成本制造技术在地效飞行器上面的应用,毕竟技术向来都是迭代循环前进的,在新的基础技术大幅进步的加持下,老的设计经常可能迎来新春,比如电动汽车、集群火箭动力等等,地效飞行器也是如此。
图↑ 江西小伙自制的无舵面分布式电动地效飞行器
地效飞行器分为三类:
A类:只能在地面效应作用区内营运。
B类:主要在地面效应作用区内营运,但在紧急情况和越过障碍物时, 可临时把营运飞高提高至地效作用以外的有限高度,但不超过表面以上150m。
C类:即可在地面效应作用区内营运,还可以在地面效应作用区外营运,但不超过表面以上150m。
超过150m高度,将被定义为飞机,需要执行航空器的适航审定。目前国外在研的地效飞行器,有部分飞行高度达到了3000m,是需要按航空器进行适航审定。
自由升降机(Liberty Lifter)是美国未来大型军用地效飞行器项目,该机虽然大部分时间采用地效飞行,但是也可以在3000m巡航,将担任未来美军的海上国防快速物流任务,可以船舶的规模、航空的速度提供海上搜救和灾难响应,实际上是一架水上飞机。该飞机专为军事和紧急救援任务而设计,旨在运载与波音 C-17 相当的货物(80吨+),在 4 级海况(海浪高度 1.25 至 2.5 m)下起降,5级海况下飞行,航程为12000 km。自由升降机的目标是填补传统空运和传统海上运输之间巨大的空白。这个想法是以直升机的速度运输部队和物资,但效率要接近船舶,最重要的是成本更低。自由升降机可以支持的另一件事是移动无人系统,将它们更快地部署到更大的区域:美国国防部拥有无人驾驶飞行器、无人水面舰艇和无人水下舰艇。自由升降机将为运送数百英里而非数十英里的人员提供机会,而使用时速 14 到 18 节(33km/h)的轮船则能够做到这一点,但该项目的目标是将速度提高到 180 节(333km/h)左右,与直升机的速度相似。小展弦比宽弦长的里海怪物(Ekranoplan)只能在深地面效应区域(或称为2D地效区,跟弦长关联度大)飞行,高速飞行时遇到大浪会导致机毁人亡。为了适用更高的海况,飞行器就不能采用里海怪物的设计,必须采用大展弦比机翼,在3D地效区飞行,自由升降机巡航高度约30m。2D的地效飞行器相对而言比较好控制和操纵,而3D的地效飞行器则需要采用主动飞行控制技术保持好相应的高度。最初的两家选手是GA-ASI(通用原子能)和Aurora(波音子公司),前者是双体船设计,后者是常规单船体设计,都采用分布式螺旋桨。通用原子能选择了双体船中单翼设计,以优化水上稳定性和适航性,采用10或12台涡轴发动机分布式推进。主要优势是卸货速度快,水上平稳,缺点是飞行性能损失、成本不可控风险大增。
Aurora凭借更好的整体任务性能和整个项目的可控期望赢得了DARPA下一步1B阶段的研制合同。目前Aurora正在建造一个 与C-130 接近性能的演示机,翼展预计为65m,载重能力22.7吨。其设计最初借鉴了20年前Boeing的Pelican(鹈鹕)地效飞机设计因素,之后进一步优化和重新设计。
继承Pelican机翼设计理念,采用上单翼T尾布局。图↑ Aurora Liberty Lifter V1机翼结构简化,取消了之前的外段下反设计。尾翼刚度加强改为π构型,并更有利于尾部舱门设计。机身两侧的浮筒取消,改为翼尖的浮筒,水面漂浮稳定性更好,并且在意外转弯过度翼尖触水的时候浮筒的浮力可有助于抬起机翼,避免坠毁 。图↑ Aurora Liberty Lifter V2在其宣传视频中,巡航状态下飞行器外部螺旋桨是停转状态,可按需开启关停(关掉的螺旋桨理应贴合在发动机整流罩上,但是视频中只是停转状态),全机动力系统目前阶段是采用8台5000马力(3677kW)的涡桨发动机,未来版本计划采用燃烧氢气的涡桨发动机(目前停掉电机的R-R正发展氢燃烧动力),当然也不排除未来会使用混合形式电动机(DEP)。该机将使用船舶的低成本制造技术和材料来提供经济高效的解决方案。该机预计在2027-2028年首飞。A14是这一种高速客货运输的海上A类地效飞行器,最大速度320km/h,2名船员+12名乘客。该机预计将采用氢燃料混合动力,最大航程500km。宣传口号为:“比船更快,比飞机更便宜,而且比两者都更环保”。
AQUALINES公司2021年成立,创始人是俄罗斯人Pavel Tsarapkin,推出的A14概念就是1950年代Ekranoplan(里海怪物)的现代版本。与法国和新加坡资本合作,不过在目前的国际形势下,可能难以获得进一步的资金进行开发,
机头位置有盒型翼,并配备两个电机,将气流吹向后下方机翼底部,增加地效特性,并具有操纵面。主机翼为超大弦长小展弦比机翼,这个也是A类地效飞行器的典型特点,两侧浮筒的外部还布置有小翼,提高巡航效率。尾部还带有一个推进动力螺旋桨,位于π形尾翼的中部,未被遮挡,也能提高尾翼的控制效率。π形尾翼在地效飞行器中使用较多,是结构和操稳的一个优秀组合。
图↑ 机头盒型翼与斜置动力
图↑ 俯视图
图↑ 外部小翼可在停放时收起
目前该公司在优先集中开发小型的2座版本A2,验证和积累相关技术,这也是目前很多eVTOL初创企业采用的快速稳健道路,比如Archer、Wisk等。A2有尾翼,船身、两个浮筒,没有外翼,前方有2个涵道螺旋桨。REGENT Seaglider
REGENT是“区域性电动海上运输机”的缩写。Seaglider(海上滑翔机)船员为2人,乘客12人,最大载重约1600kg,最大起飞重量约7000kg。飞行器的最大速度为300km/h,采用纯电动,航程300km。
Seaglider与以往的水上飞机最大的一个不同,是采用了底部伸缩式水翼,可以轻松快捷的使得飞机加速离水起飞,而不需要采用阻力大的断阶船身;另外一个特点就是采用DEP地效飞行,两个特点都能大幅节省电力。
早期概念中,水翼为固定形式,兼起撑杆作用。后改为小型化的上下伸缩式水翼,降低飞行阻力。
2023年9月,进一步更改了尾翼造型,变成了刚度更好的盒型翼。水翼结构形式也有变化。与之前的缩比模型不同的是,其分布式螺旋桨将不再位于机翼前沿中部,而是偏下的位置,配合襟翼折流以更有利于地效飞行。2024年9月,美国海岸警卫队批准了REGENT进行实物海上试飞的计划,目前该公司正在制造全尺寸原型机,预计2026年首飞。
Sea Cheetah
海上猎豹,不是海豹。Sea Cheetah为氢能源地效飞行器,巡航速度250km/h,飞行高度通常在3m左右,航程为数百公里,采用 H3 Dynamics 的燃料电池。两侧的浮筒特别大(内部有氢储存装置),看起来像是三体船。据这家美国公司介绍,其载重效率是其他任何竞争对手的三倍,其速度是其他任何船只的 10 倍,能源效率是飞机的 10 倍。因此,它是服务岛屿或提供沿海连接的理想选择。
采用分散式绿色氢气生产系统,构建氢动力海上运输生态系统。氢能源补给系统命名为H2Hub,采用海上绿色制氢、海上供给的办法,避开了人口稠密地区氢储能的问题,这个系统也可以给其他运载器提供氢气,氢的使用,包括氢燃料电池、直接烧氢气的涡桨动力两种方式。
图↑ 海上制氢和加氢站H2Hub
当然,相比前面几家的设计,Sea Cheetah连个小的模型都还没有建立,只是有宣传效果图,未来能否进入现实,还得看资金情况。带有可倾转电动涵道的地效飞行器,起飞状态朝机翼下方吹气,巡航时转平:
太阳能地效飞行器,用于无人机航母,可停泊长期等待,可快速到达目标区域,由于推进动力在水下,预计抗风浪能力很差,使用场景非常有限 :
可垂直起降的地效飞行器,不需要断阶、水翼等设计了,应用也许更广: