浅谈地面效应在汽车上的应用

2016-05-30熊江文张圣东程海萍黄强

时代汽车 2016年7期

熊江文　张圣东　程海萍　黄强

摘要：地面效应是基于仿生学原理进而产生的一种理论，学者通过观察、研究鸟类近水或近地长距离滑翔时极少煽动翅膀的现象，从而获得灵感，将地面效应应用到汽车领域，不仅很好的解决了汽车能耗问题，提高了汽车经济性，

而且具有极好的环保效用。关键词：地面效应；汽车；仿生学；低能耗

1 引言

当机翼贴近地面飞行时，由于机翼下表面与地面之间的气流阻塞作用，使得机翼升力增大，阻力下降，这种升阻比急剧增大的现象称为机翼地面效应。正是由于机翼地面效应的作用，近地面或近水面飞行器具有优良的经济性，较之其它飞行器有更大的经济优势。[1-4]

利用地面效应的优势，地效飞行器应运而生，从产生地效的原理上，地效飞行器可分为静升类地效飞行器和动升类地效飞行器。

气垫船是静升类地效飞行器的典型代表，气垫船与地面或水面之间存在一层压缩空气，压缩空气形成气垫将气垫船与地面或水面进行隔离，减小了两者间的摩擦力。在气垫船上有专门的动力装置负责向船体下吹风，以便形成气垫，整个船体靠此气垫升离地。有另外一套动力驱动装置，使船获得向前的动力。

动升类地效飞行器的典型代表是地效飞机。这类飞机在外形上更像一般的飞机，在产生地效作用起飞之前必须有动力装置为其提供向前的速度。当飞机贴地飞行时，消耗很少的功率便可获得较大的升力。

后来将地面效应应用到汽车领域，不仅使汽车获得了良好的速度特性，而且解决了汽车领域的能耗问题和环保现状。美、苏、法、德、英、日等国，在上世纪六七十年代均对地效飞机做过相关研究，其中最为成功和较早将地面效应成功应用到飞机的是前苏联，在 60年代前苏联研制的“母鹞”式地效飞机，飞行时距离地面 7～15米，最大载客 900人，最大时速达 550千米。

地效飞行器所展现的优良性能，使它备受国内外学者的青睐和关注。尤其是以俄国为领头羊的科研团队，俄国自前苏联时期便开展了此项研究，科研实力和基础雄厚，发展迅速。其他国家美、德、英、日和澳大利亚等也在这方面做出了卓越成果，各国间的竞争角逐非常激烈。因此，它已成为当代最重要的军民两用高科技项目之一 [5]。

2 地面效应在汽车领域的应用

众所周知，火车虽然速度很快，但其也有缺陷：多数火车，如高铁、动车、城际动车等须运行在预先铺设好的铁轨上。假若火车运行过程中不需要铁轨，那么火车与铁轨之间则不存在摩擦力，这将大大降低火车能耗损失，有助于提高能源利用率和提升车速。目前，我国在磁悬浮列车上已成功实现了铁

轨与火车之间的零摩擦力，但是由于运营成本过高，无法在全国实现。

基于以上问题，日本提出了利用地面效应研发“飞行火车”[6]，如图 1所示。

由菅原游助率领的团队，在日本东北大学，尝试利用地面效应原理研制“飞行火车”。所谓飞行火车即为一种新型汽车，利用车身上的螺旋桨和机翼为车提供推力和升力。在机翼的作用下，车与地面之间形成一层空气垫，车与地面的摩擦力大大降低，有望实现车的超高速性能。同时，车辆行驶稳定性也是一项关键技术，在保证车辆高速运行过程中，防止侧翻也是一项需要重点研究的内容。

在我国利用地面效应设计、建造汽车起步较晚。目前，在日本东北大学的主导下，重庆理工大学的赖晨光团队利用地面效应原理，研究的气动悬浮列车是一种新型高效率的地效飞行器。由于这种地效飞行器的特殊性，它既不近水面飞行又不在高空飞行，而是贴地飞行，所以尚无针对它的机翼设计及

机翼翼型，国内外有关学者参考其他机翼翼型，通过优化法得到优化后的机翼翼型。国内重庆理工大学的赖晨光 [7]团队以 LA203A为基础翼型通过遗传算法优化得到的新翼型 LA203A-1开展研究，建立了 LA203A-1三维数值模型，利用计算流体力学方法对其地面效应下的流场以及气动特性进行研究。

3 结语

地面效应对飞行器的利处在于高效率地

提升飞行器的升力，诱导阻力大大减小，飞

行器的升阻比随之大幅度降低；任何事物都

有其两面性，地面效应对飞行器同样存在不

利影响，在飞行过程中飞行器的俯仰力矩特

性会受到严重影响。在起飞和着陆阶段，飞

行器的稳定性将受到很大影响。

利用空气动力学原理和地面效应设计研

发的气动悬浮列车与所有飞机一样，这种列车也面临着机翼倾斜、摇晃和摆动问题，导致底部很难与地面保持平行。