问题

能够用地效飞行器的原理,来制造一艘天上航母吗?

回答
用效能飞行器(也称为“地面效应飞行器”或“地效船”)的原理来制造一艘“天上航母”是一个极具想象力的概念,但从目前的技术和物理原理来看,实现难度极高,甚至可以说是不切实际的。

然而,我们可以深入探讨地效飞行器的核心原理,并尝试将其概念延伸到“天上航母”的设想中,以说明其中的挑战和可能(尽管很渺茫)的理论基础。

地效飞行器的核心原理

地效飞行器之所以能在贴近水面(或其他平坦表面)飞行,其核心在于利用地面效应(Ground Effect)。地面效应是一种空气动力学现象,当一个物体(如机翼)在靠近一个反射面(如水面)时,其下表面的空气会受到压缩,形成一个高压区域。

具体来说,当飞行器在低空飞行时:

1. 机翼下方空气受限: 机翼下方与地面之间形成了一个狭窄的通道。当空气流过机翼时,由于下方空间受限,空气被“挤压”,导致流速加快,压力降低(这是一个常见误区,其实更准确的说是空气流动受到影响,并改变了诱导阻力)。
2. 翼尖涡流减弱: 飞机的机翼在飞行时会产生翼尖涡流,这是由于高压空气从翼尖下方流向低压区域(翼尖上方)所致。这些涡流会消耗能量并产生诱导阻力。当机翼靠近地面时,地面会阻碍翼尖涡流的形成和发展。
3. 升力增加,阻力减小: 由于下方高压区域和翼尖涡流的减弱,相同迎角下的机翼会产生更大的升力,同时诱导阻力显著降低。这使得地效飞行器能够在非常低的空速下,并且消耗更少的能量来维持飞行。
4. “气垫”效应: 有些地效飞行器设计会利用特殊的机翼形状(如桶形翼或带边条的机翼),在机翼下方形成一个“压缩空气层”,类似于一个低压气垫。这个气垫提供了额外的支撑力,进一步降低了对高速度的需求。

关键点: 地效飞行器通常依靠前进的动能来提供必要的空气流过机翼,以产生升力。它们需要一定的速度才能进入并维持在“地面效应”区域飞行。它们不是像直升机那样直接产生升力,而是利用空气动力学原理来高效地产生升力。

将地效飞行器原理应用于“天上航母”的设想

要制造一艘“天上航母”,我们需要一个能够长时间、稳定地在空中悬停或低速飞行的巨大平台,并且能够承载大量的飞机和人员。如果我们尝试将地效原理应用到这个设想中,我们会遇到以下几个核心问题和可能的“解决方案”(尽管是理论上的):

核心挑战:没有“地面”!

地效原理的核心是“地面”这个反射面。在空中,我们没有现成的、可以利用的反射面。这是最根本的矛盾。

可能的“解决方案”和延伸设想(高度推测性):

1. 创造一个“人造地面”:
巨大的反射结构: 设想一种巨大的、高度光滑和密闭的结构(比如一个巨大的穹顶或一个由反射材料制成的球体/平面),它自身能够提供一个“表面”。航母的飞行器将在这个人造地面的上方极低的高度飞行。
技术挑战:
规模: 这个“人造地面”需要非常巨大才能为一艘航母提供足够的地效区域。巨大的结构本身将面临结构强度、材料科学和稳定性等巨大挑战。
悬停: 如何将这个巨大的人造地面悬停在空中?这需要比传统飞行器强大得多的升力技术,例如巨型反重力装置、超级浮空技术,或者依赖于其他尚未实现的先进推进系统。
稳定性和反射性: 这个人造表面需要极其光滑且具有高反射性,以尽可能模拟地面效应。任何凹凸不平都会破坏地效。

2. 利用“空气地面效应”的变种(更具科幻色彩):
“空气反射面”: 设想一种能够通过某种方式(例如电磁场、等离子体约束、或超高密度气体层)在飞行器下方“创造”一个临时的、高密度的空气区域,模拟地面反射面的作用。
技术挑战:
能量消耗: 创造和维持这样一个“空气地面”所需的能量将是天文数字级的。
控制精度: 如何精确地控制这个“空气地面”的形状、密度和稳定性,使其与航母的飞行器产生有效的地效?这需要极高的控制技术。
作用范围: 如果这个“空气地面”的范围有限,那么航母的飞行器只能在非常小的区域内受益。

3. 以地效为辅助,而非主要升力来源:
反重力/超级浮空技术为基础: 假设我们已经拥有了某种先进的、能够提供巨大升力的技术(例如反重力装置),让航母本身能够悬停在空中。那么,地效原理可以被用来帮助其下方的“起降平台”或“甲板”部分产生更高效的升力。
甲板作为“人造地面”: 航母的主体悬停在空中,其巨大的甲板可以设计成一个高度光滑的平面。飞机会在这个甲板上方极低的高度起降,以利用其产生的地效,从而降低对起降速度的要求,以及在恶劣天气下提供更稳定的起降环境。
技术挑战:
主升力技术: 这仍然依赖于一个目前不存在的强大主升力技术。
甲板规模: 航母甲板需要比现有航母大得多,才能产生明显的地效。
地效利用效率: 即便如此,地效产生的升力对于支撑整个航母来说仍然是杯水车薪。它更多的是优化起降过程,而不是提供主要的悬停能力。

航母的构成元素和地效原理的结合:

如果我们要建造这样一个“天上航母”,并尝试应用地效原理,它可能需要以下几个关键部分:

巨大的主升力系统: 能够让整个航母在空中悬停或低速漂移。这可能是反重力、大型斥力场、巨型浮空引擎或其他科幻推进器。
“人造地面”或“反射甲板”: 位于航母下方,用于产生地效。其设计将是关键。例如,一个巨大的、超光滑的碟形结构,或者一个由超材料构成的可伸缩反射面。
高效的低空飞行器: 这些飞机本身可能也经过特殊设计,以最大化地效效益。它们可能拥有特殊的机翼形状,例如非常宽的翼展,以及低速飞行能力。
动力和能源系统: 为所有这些系统提供源源不断的能源,这可能是某种超高效的核聚变反应堆,或者更先进的零点能提取技术。
控制和稳定系统: 维持整个庞大结构的稳定,并精确控制起降过程中的地效作用。

结论:极度科幻,而非现实

总而言之,从地效飞行器的原理出发来制造一艘“天上航母”是一个极具科幻色彩但非常不现实的设想。核心问题在于地效原理高度依赖于一个固定的、反射性的“地面”。在空中,我们需要“创造”这个地面,而创造和维持这样一个巨大、稳定且具有足够反射性的“人造地面”所需的能量和技术,远远超出了我们目前的理解和能力。

即使假设我们能够克服这些巨大的挑战,制造出能够悬停在空中的巨大平台,地效原理也只能在非常低的空速和近距离内提供额外的升力优势,而无法作为主要的升力来源来支撑整个航母及其载荷。

因此,虽然这个概念能激发我们的想象力,让我们思考空气动力学原理的极限和可能性,但在现实世界中,我们更倾向于依靠其他更成熟或更有潜力的技术来构建空中平台,例如大型飞艇、垂直起降飞机结合先进的推进系统,或者未来可能出现的真正反重力技术。

网友意见

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人类第一次建造可以飞在天上的航母是在1931年,美国人建造了两艘阿克伦级空中航母,她长度超过200米,可以搭载5架双翼战斗机,阿克伦级空中航母主要承担舰队侦查任务和技术验证任务,还曾经在罗斯福总统面前大出风头

题主这次问,可以不以使用地效飞行器来建造一艘可以飞行的航母,我认为是可以的,而且不需要等未来,现在的技术和材料就已经可以了。

我先来反驳一下大部分人对地效飞行器的认识的误区

1.地效飞行器飞行高度低,抗浪性差

这句话不完全错,正确的说法应该是小型地效飞行器飞行高度低,抗浪性差,我们一般见到的小型地效飞行器(5吨级)飞行高度大概只有2~3米,只能应对1.5米左右的浪,但是500吨级的地效飞行器可以在10米高度产生地效,完全可以应对5到8米左右的浪高,越大的地效飞行器能产生地效的高度也就越高。

如苏联时期建造的花尾鸽级地效飞行器(500吨级)就可以在最大3.5米的浪高下起降,最大8米的浪高下巡航,还能携带6枚P270超音速反舰导弹



KM地效飞行器(600吨级),可以实现在15米左右高度产生地效,能在10米左右浪高下巡航,足以应对绝大多数近海的海况条件,不过受限于当年技术条件,KM只能在1.5米左右的浪高下进行起降


而苏联在1972年建造的VVA-14地效反潜机(50吨级)则根本就是科幻故事里的产物,这个地效飞行器可以在6米~8米左右的高度地效巡航,可以在海面、沙滩、雪地垂直起降,所有引擎全开情况下可以在15米高度产生稳定地效,在地效飞行时,可以在5米左右的浪高下巡航,但是为了应对更恶劣的天气,这个东西是可以脱离地效完全当做普通飞机爬升到10000米的高度,原型机成功爬升到了10000米的飞行高度同时又可以在8米高度地效巡航

按照完整设计,这个飞行器还会配置12台升力发动机和两组软质浮筒,可以像反潜直升机一样在海面悬停放下磁场探测器,也可以利用软质浮筒在沙滩雪地甚至海面进行垂直起降,由3名船员携带12枚鱼雷进行反潜作战,或者其他特种作战,可惜VVA-14的升力发动机和软质可收放浮筒研发遇到了瓶颈,该机只建造出了装备普通喷气式发动机和硬质浮筒原型机,原型机进行了技术验证飞行,在携搭载了三位试飞员的情况下,VVA-14M1成功爬升至10000米高空,同时在8米高度产生气稳定地效

此物的2号原型机在机鼻两侧还增加了两台喷气式发动机以进一步改善地效飞行的效率,2号机可以在10米地效巡航,可惜该项目在最大的支持者赫鲁晓夫下台后就跟着下马了。

而在咱们珠海航展上展出过的200吨级地效飞行器,海雕H680,设计指标就是10米高度内稳定产生地效,还可以150米高度从空中掠过海岛。

虽然说人类目前建造过的地效飞行器都不足以应对公海上的恶劣海况,但是不代表更大型说地效飞行器无法应对。

从上面的案例其实我们可以看出,越大的地效飞行器能产生地效的高度就越高,人类至今还没建造出过千吨级的地效飞行器,苏联的别里耶夫设计局的顶尖地效飞行器专家巴尔蒂尼认为1000吨级的地效飞行器应该可以在20米高度产生稳定地效,而5000吨级的地效飞行器则可以在30到50米高度上地效巡航,而这种高度足以应对绝大多数恶劣海况条件,所以,其实地效飞行器和普通船舶一样,造的越大,稳定性越好,别里耶夫设计局认为,地效飞行器只要可以在20米高度上产生稳定地效,就足以横跨大洋,所以地效飞行器只要足够大就足以应对绝大多数恶劣海况和天气。


2.地效飞行器燃油经济性差、航程短,只能近海使用

这句话是个很大的误区,有些航空知识的人都知道,飞机飞的越高越省油,发动机越少也越省油,所以理所当然的认为大型地效飞行器这种飞行高度不超过100米同时又需要十几台引擎来推进的异端燃油经济性差,自带的补给和内油很难支持其远洋作战;我们以里海怪物KM地效飞行器为例,咋一看这个东西有舰艏8台、舰艉2台,一共10台喷气式引擎,原型机的改型还在船桥下加装了两台,达到整整12台喷气式引擎

可是!!!舰艏那8台引擎在地效巡航时是不开机的!!!那8台只是起飞用的引擎

起飞时,前面8台引擎直接向机翼下方喷射,目的是产生一个临时气垫,当整艘船的地效产生,舰艉的2台引擎会开机,而舰艏的8台引擎将会关闭

除了用于产生地效的主翼外,巨大的水平尾翼也会产生一定升力,此时就仅仅舰艉的2台引擎工作就足以支持这个600吨的巨兽在8米高度以500kph的速度巡航,由此可见,地效飞行器地效巡航的时候只需要少量引擎开机即可实现高速飞行,KM地效飞行器可以500kph的速度航行超过7000km,而之后建造花尾鸽级地效飞行器则可以以800kph的速度航行7500km,这已经足以媲美小型蓝海战舰,所以,我们有理由相信,地效飞行器只要做到足够大,有足够的空间存储燃料后,想要进行远洋作战是完全没有问题的。


但是,不论民用还是军用,服役的地效飞行器寥寥无几,中型地效飞行器就只有小鹰级三艘进入苏联海军服役,大型地效飞行器仅有一艘花尾鸽级(舷号MD160)进入苏联海军服役,而千吨级地效飞行器甚至连原型机都没有建造过,这其中真实的原因又是什么呢?

1.飞控技术

地效飞行器始终是在不到100米,甚至绝大多数情况是在10到20米的超低空进行高速飞行,别说几百吨的巨无霸飞行器了,即使是一架10吨级的直升机或战斗机,想要在这个高度以这种速度持续飞行都是对飞行员巨大的挑战,那么可想而知,驾驶大型地效飞行器对船员(或飞行员?)来说是个多大的挑战和折磨,再加上航行高度极低,一旦发生失误几乎没有容错率,整个地效飞行器会迅速拍在水面,遇到海况稍微高一点的时候甚至会直接撞在浪头上坠毁,人类建造过的所有大型地效飞行器只发生过两次严重事故,其中两次都是人为失误导致的。


KM地效飞行器的第一架原型机在1966年首飞了,VVA-14地效反潜机的第一架原型1972年首飞,小鹰级地效飞行器第一架原型机1973年首飞,花尾鸽级地效飞行器的第一架原型机1986年首飞,可以看出,这些巨兽首飞的时候都还是飞控和自动驾驶技术还不够成熟和先进的时候,这种大型的地效飞行器如果没有可靠的飞控和自动驾驶,船员是很难安全驾驶她的,数十小时甚至一两天的超低空掠海飞行对于当时的自动驾驶系统(即使是21世纪的自动驾驶仪也很难做到)来说是根本不可能的事,而飞控系统也完全无法支撑船员高强度的持续完成这种精细操作,这就导致了,操纵地效飞行器在那个年代是需要非常高超的技术才能完成的事,同时一个需要驾驶员高度集中精力的载具,还想进行数十小时甚至数天的作战,这个对于船员的体力和精力来说是个极大的挑战。



2.无故障周期短,可维护性差

众所周知苏联的军工体系是在以较低的科技水平上,制造出可生产性、可维护性和作战性能三者相对均衡的东西,并不像美国那样纯粹为了高科技而高科技,但是大型地效飞行器的使用环境就决定了这个东西的可维护性是非常糟糕的,长时间低空高速运行,海水和海上都异物对船体和引擎损害极大,引擎经常会吸入异物造成损坏,而海水的腐蚀性又对整个地效飞行器的维护保养构成了毁灭性打击,小鹰级地效飞行器的S-26号证明了,这个东西绝大多数时候在维修和保养的 ,出勤率极低,这对喜欢皮实耐用的苏军来说,简直是无法忍受。



3.同等体积下,地效飞行器运载能力比固定翼飞机更差

小鹰级地效飞行器进入苏联海军服役,她可以携带150名全副武装的苏联海军陆战队员和他们的载具以350kph的速度直接抢滩登陆,甚至不需要在水上,直接在沙滩上就可以地效起飞,但是,苏联人发现,同体积下的水上飞机可以运载更多的人员和装备,所以,小鹰级在生产了仅仅四艘后就停产了,其中只有三艘进入部队服役,据说俄罗斯还有一艘在黑海舰队服役,不过状况极为糟糕。前苏联水翼设计局局长阿列克耶夫和他的团队证明了地效飞行器越大越好,可以飞的更高、更稳定、效率也更高,所以,小于500吨级的地效飞行器相比飞机来说是没有什么优势,但是500吨以上的地效飞行器对于那个年代的飞控和船员来说又是个噩梦。

3.转向半径过大,容易发生碰撞

地效飞行器因为飞行高度太低了,无法和真正的飞机一样采用滚转机身的方式进行转向,苏联建造的大型地效飞行器,基本都是采用尾舵偏航的手段再辅以船身轻微滚转的形式来完成转向的,这就导致这个东西在高速航行的时候很难转向,转向半径会过大,以至于舰桥发现海面上有可能碰撞的物体时很难躲避,这种特性也决定了她很难组成密集编队进行航行。

4.领导人的喜好和苏联经济的滑坡

玉米同志下台后,勋章同志对于这种技术上太有前瞻性的东西不太感冒,苏联军工体系的研发投入开始更多倾向于传统项目,导致地效飞行器这种本身就需要大量研发投入到新兴技术缺乏资源上的支持,苏联解体后,冷战危机解除,地效飞行器的军事用途大大减小,而高额的研发投入也吸引不到资本家的关注,现在除了俄罗斯PPT造大型军用地效飞行器外,也就只有中国还在此领域有实质性研发投入了。



那,为什么我又说现在的技术和材料绝对可以建造地效航母呢?

1.苏联在1970年就有用大型地效飞行器搭载固定翼飞机的设想了

VVA-14的总设计师巴尔蒂尼在1970年就向苏联海军提出了建造5000吨级可以搭载25架固定翼舰载机(最早都设想是用mig-21或者yak-38)的地效航母的计划,这个地效航母采用了升力体结构,使用12台喷气式引擎提供动力,有两个垂直尾翼和一个飞行甲板,可以在30米高度以600kph的速度稳定巡航,舰载机无需滑跃或者弹射,仅依靠甲板风就可以起飞,按照他到设计,当地效航母达到巡航速度后,舰载机既可以“垂直”从飞行甲板上起飞,而舰载机回收时,只需要减速至和母舰相同速度,即可“垂直”落在飞行甲板上。

2.地效飞行器越大越好

上面已经论证了,地效飞行器是越大越好的,500吨以下的地效飞行器相比固定翼飞机是几乎没有优势的,而且500吨以下甚至包括500吨级的地效飞行器都无法安全的进入公海航行,现在相关学者对此普遍的认识是1000吨级、地效巡航高度在20米以上的地效飞行器才是地效飞行器真正实用化的门槛;

那既然都是建造地效航母了,那在保证搭载至少5架重型固定翼舰载机的前提下,至少得是5000吨以上的吨位,在这个吨位下,地效飞行器几乎不存在地效产生高度太低的危险性了,而深入大洋作战,转向半径过大也似乎不是什么问题了,同时因为是地效航母,这个东西太快了,传统航母打击大队的各种护航舰艇和补给舰艇也变得无所谓了,毕竟这么快,应该除了飞机以外,就没什么舰艇可以攻击到她了,600kph以上的航速,从渤海湾内出发,可以保证她能够在12小时左右就往返一次马里亚纳群岛,24小时就可以往返一次夏威夷,所以补给船怎么跟上和海上补给作业困难的问题似乎也不存在了,毕竟即使到美国本土转一圈回来也只需要两天不到,靠地效航母本身的自持力也完全够用了

3.飞控技术的进步

飞控技术的进步让放宽静稳的飞机设计变成现实,而同样飞控技术的进步也可以使大型甚至超大型地效飞行器变为更加实用化的产品,1970年的电子管计算机解决不了的飞控问题,2021年的集成电路计算机应该是可以解决的,主要就看实验的数据量还有研发经费的投入了,毕竟连B-2这种完全没有水平尾翼和垂直尾翼的扁扁都能在90年代末安安稳稳的上天,2021年想让一个5000吨的常规布局的地效飞行器掠海巡航应该也不是问题,再加上已经非常成熟的地形跟随系统,想实现自动驾驶也不是不可能,完全把船员从驾驶中解放出来,提高了船员的容错率,这一点也是我认为当前完全可以建造出地效航母的原因。




结论:地效飞行航母的问题好像还有很多没有完全解决,但是按照题主的题设,我认为只是单纯建造出地效飞行航母是完全没有任何问题的。

地效飞行器出勤率和故障率的问题不能说100%解决,而且这里也肯定是个大问题,但是现在的技术肯定也变得更好一些了,这方面的可靠性也会得到一个提升,况且题主问的是不是,能不能造的出来,如果我们确实忽略掉地效航母的出勤率和故障率问题,单纯造出来,我觉得是没问题的。

如果说我们要考虑这个东西的实用性,我们就要提一下了,建造这个东西可以达到什么样的战略或者战术目的,首先5天内可以部署到地球的任何一个角落的航母看起来真的非常吸引人,可以为地效飞行航母的所有国提供非常多的战术选择,不过换一个思路,她携带的舰载机数量和种类也远远不如正规航母,甚至不如两栖攻击舰,那么如果仅仅是为了投射少量的弹药,选择建造大的轰炸机平台再搭载空射巡航导弹不是更好吗?再者,地效飞行航母拥有600kph甚至更快的速度,舰载机速度都不比母舰快多少,这样看舰载机本身就不能太多的扩充地效飞行航母的作战半径,这种情况下,直接搭载大型巡航导弹不是比搭载舰载机拥有更高的效率嘛?最后是地效飞行器毕竟不是真正的船,在任务多样性方面是远远逊于常规的战舰的,很难执行日常巡航类的任务,和平年代保有成本就会很高,同时,她也不具备常规舰艇的抗损毁能力,高烈度的战场环境下极易被击沉,所以从战略战术两个角度考虑,地效飞行航母似乎都不是个很有性价比的选择,而且冷战已经结束,当前似乎没有什么世界大战的阴影,这类功能极其单一的进攻性武器似乎也并无存在的必要了。

不过,这也不妨碍我们畅想一下这样子都东西真的航行在大海上的那一天是不是~

军用方面,我其实是很看好大型地效飞行器的,不过我认为这个东西的用途可能更多是在充当大型高速武库舰或者高速两栖登陆平台这么一个角色~

民用方面嘛,如果有资本家愿意去冒这个研发风险,大型地效飞行器可以一定程度上挤占一部分国际航运和空运的市场,毕竟大型地效飞行器应该可以做到和散货船差不多的运载量,同时速度又不比飞机慢太多,成本还比飞机更低,我认为如果成规模化效应后,还是很有市场的~

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就算你用科幻技术造出10万吨地效飞行器也是软用没有,因为护航和补给舰队跟不上它的速度。

而且都有这等科幻技术了,复联的空天母舰完全不是问题。

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没什么鸟用……我宁可去想象把航母做成双体船或者三体船以增加甲板面积和高海况时的放飞、回收能力……

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