水上飛機如何“上天入?！?/h1>
2021-12-13 03:40雷柱劉桓瑋劉常春
科學中國人·下旬刊 2021年7期
雷柱 劉桓瑋 劉常春
5月8日，在首屆長三角國際應急減災和救援博覽會上，我國自主研制的大型水陸兩棲飛機“鯤龍”AG600與多位用戶完成簽約工作，為國產(chǎn)航空裝備助力國家應急救援體系建設注入新動能。
眾所周知，水上飛機要從水面起降，必須兼顧船舶和飛機雙重特性，具備水動和氣動兩種性能。無論是整體設計布局，還是工藝材料要求，比起陸基飛機，水上飛機研制都更有難度。目前，世界上只有少數(shù)國家具備大型水上飛機研制能力。這是一個國家綜合工業(yè)實力的集中體現(xiàn)。
那么，水上飛機是如何“上天入?！钡?？制造一款大型水上飛機要突破哪些技術難題？請看解讀。
既要飛得高，還得會“打水漂”
要具備水上起降獨特“本領”，水上飛機在機型設計上與陸基飛機有很大不同。在達到陸基飛機氣動布局要求的同時，水上飛機更需要考慮復雜的水動力特性。
水動力特性之所以復雜，是因為它會隨著水上飛機起降的不同階段而發(fā)生變化。水上飛機滑行階段，可以看成是一艘船舶低速加速到高速的過程，而滑行穩(wěn)定性、水動阻力、噴濺等運動特性，在這一過程各個階段都是不同的。
滑行穩(wěn)定性主要取決于海上波浪對水上飛機的干擾強度。波浪干擾會導致飛機不斷上起下?lián)u，如果這種干擾不可控，水上飛機就會產(chǎn)生“海豚跳”現(xiàn)象——像海豚一樣上躥下跳，甚至會一頭“扎”進水里。
水上飛機對起飛重量的限制要求，決定它的重心無法像船舶一樣置于水下，而是要處于水面之上。這樣一來，飛機會產(chǎn)生橫側(cè)向傾斜，甚至發(fā)生側(cè)翻。為了滿足滑行階段的穩(wěn)定性，設計師通過在機翼兩側(cè)加裝浮筒，不僅增加了飛機浮力，還具備良好的橫向穩(wěn)定性。
水動阻力，是水上飛機水動力設計的另一難點。水的密度是空氣的800倍，在加速起飛階段，水上飛機需要有足夠動力去克服水的阻力。隨著滑行速度增加，水上飛機所受阻力會出現(xiàn)兩個峰值，只有越過第二個阻力峰值，飛機才能達到離水速度，順利起飛。否則，水上飛機就是一艘貼著水面高速滑行的快艇。
船身底部的斷階設計，是解決飛機離水起飛的一個重要措施。斷階讓水和機身之間產(chǎn)生一個空氣層，使得水上飛機在高速滑行中能夠克服氣壓差，在升力作用下順利升空。
早期斷階概念誕生于“施耐德”杯水上飛機競速比賽，設計師為提高飛行速度，將浮筒從無斷階過渡到有斷階時代。他們通過水動力試驗，發(fā)現(xiàn)斷階的形式、高度及相對飛機重心位置等對水上飛機水動阻力影響很大。
20世紀50年代，為提升船體和浮筒的水動特性，設計師提出采用收放式斷階替代固定式斷階的方式，通過起飛前后調(diào)整斷階深度，有效提升水上飛機飛行特性。
水上飛機在水面滑行時，機身底部會向四周噴射出強弱不等的水束，產(chǎn)生噴濺現(xiàn)象。噴濺除了沖刷船底增大滑行阻力外，還可能影響發(fā)動機正常工作，對螺旋槳、襟翼、尾翼等造成不良影響。
在水上飛機設計中，設計師一方面設法使螺旋槳、平尾等動力裝置避開噴濺，比如水上飛機常用的上單翼、T型尾翼等布局設計;另一方面設法抑制噴濺，例如將船身舭部設計為帶有舭彎和抑波槽的形狀，甚至利用邊界層控制技術降低水動載荷等。
防腐和密封，難以逾越的兩座“大山”
水上飛機作為“飛機+船”的組合產(chǎn)物，在制造上遠不是兩者技術疊加那樣簡單。除常規(guī)陸基飛機和艦船必需的技術外，考慮到高鹽高濕工作環(huán)境，水上飛機制造對防腐蝕能力、水密性等指標要求極高。
早期水上飛機，蒙皮接縫和鉚釘孔很容易滲入海水，艙底內(nèi)部經(jīng)常積水，腐蝕問題十分常見。后來，設計師在水上飛機的結(jié)構(gòu)和材料方面進行有益探索，使得防腐蝕能力有了顯著提高。
在結(jié)構(gòu)設計方面，水上飛機多采用全機水密鉚接，能夠有效防止雨、霧和海水浸入結(jié)構(gòu)內(nèi)部;合理設計漏水孔和通風孔的位置大小，使得內(nèi)部積水順利排出;在鉚釘、螺栓等連接件結(jié)合面進行適當隔離絕緣，防止雙金屬接觸腐蝕。
在制造材料選擇方面，水上飛機一般采用防腐蝕材料和表面涂層等技術，為機體披上“防護衣”。目前，水上飛機使用的是常見合金材料，存在一定缺陷。研制新的防腐蝕材料，一度成為各國研制水上飛機的難題之一。
發(fā)動機和各類電子元器件防腐蝕能力同樣是科研攻關的“重頭戲”。水上飛機的動力系統(tǒng)會額外安裝防腐蝕裝置，一般采用高壓空氣噴射方式，對發(fā)動機適時進行沖洗和清潔;機體內(nèi)電子元器件也有著嚴密的防霉菌、耐鹽霧、腐蝕防護和電磁兼容等環(huán)境適應性設計，這就要求水上飛機電控系統(tǒng)必須采用更強的防腐蝕材料和涂層技術。
水上飛機在結(jié)構(gòu)上開孔多、接縫多，密封難度可想而知。水上飛機一般采用3種方式確保機體密封性：一是在緊固件表面涂抹密封劑，消除緊固件與機身間的縫隙;二是在整機裝配完成后，進行氣密性檢驗;三是通過向機體進行高壓噴水，檢查是否有漏水、滲水問題。
為確保嚴格的水密性能，現(xiàn)代大型水上飛機還采用整體結(jié)構(gòu)設計，避免機體出現(xiàn)多處開孔。有些水上飛機還借鑒了輪船的設計理念，增加水密隔艙——將機身分割成若干個艙室，每個艙室之間用防水隔板和水密門分隔。一旦機身出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，只須將艙門關閉，就可以將漏水控制在艙室內(nèi)，而不會擴散到機身其他位置，避免飛機因進水而沉沒。
除了防腐和密封兩座“大山”，水上飛機在制造中還有很多“山峰”需要翻越，機體結(jié)構(gòu)強度便是其一。水上飛機在高速接水過程中，會產(chǎn)生巨大撞擊力，之后高速滑行過程，波浪也會對機體產(chǎn)生高頻沖擊。這種結(jié)構(gòu)響應，給水上飛機結(jié)構(gòu)強度設計帶來很大挑戰(zhàn)，需要付出更多結(jié)構(gòu)重量。
在總裝對接方式上，水上飛機相比陸基飛機難度也很大。設計制造水上飛機要同時考慮“半架飛機”和“半艘船”。這一過程非常復雜，不僅涉及高精度密封鉚接技術、對接數(shù)字化定位技術等，還需要輔以數(shù)字化柔性工裝及激光跟蹤儀測量。
三次試飛，水上飛機的“破繭之旅”
現(xiàn)代水上飛機大都具有“水陸兩棲、一機多型”的特點，在大批量生產(chǎn)前，必須進行3次不同方式的首飛試驗。
陸上首飛，即驗證水上飛機基本功能和飛行性能，是實現(xiàn)圖紙到試驗機的重要環(huán)節(jié)。水上飛機依靠起落架系統(tǒng)進行陸上起降，與陸基飛機并沒太大區(qū)別。
水上首飛和海上首飛，包括飛機“從空中降落水面”和“從水面滑行升空”兩個測試階段。兩者看似進行了相同的測試科目，卻對水上飛機性能檢驗有著不一樣的意義。
水上首飛一般在湖面進行，主要驗證水上飛機各系統(tǒng)水面工作情況，并初步驗證飛機水面起降的操作性能，為投入森林滅火和自然災害防治體系建設做充分準備。
海上首飛則重點檢驗水上飛機噴濺特性、抗浪性、加速特性和水面操縱性能，檢驗飛機各系統(tǒng)在海洋環(huán)境中的工作性能，以便收集海上飛行數(shù)據(jù)，對未來飛機執(zhí)行遠海貨物運輸、水上應急救援等任務提供支持。
相比于水上起飛，海上起飛可以說是水上飛機的“終極考驗”，有著更高的技術要求——海上環(huán)境對水上飛機各項性能要求更加苛刻。海水鹽度明顯高于湖泊淡水，對水上飛機各系統(tǒng)腐蝕防護有著更嚴峻的挑戰(zhàn);海水密度大，水上飛機起飛時克服水的“黏性”更大，降落時海水對飛機的反作用力也更強，飛行員往往感到海面比湖面“偏硬”;海上不同類型波浪同時存在，且傳播方向不一致，會使得水上飛機飛行環(huán)境更加復雜，飛機可能會產(chǎn)生上下顛簸和搖擺現(xiàn)象。
海上起飛對飛行員的視覺感受和操縱要求更加嚴格。海面比湖面更開闊，飛機降落時，飛行員選擇參考點不如湖面容易;海面環(huán)境比湖面環(huán)境更復雜，在試飛過程中，飛行員需要全面考慮風向、風速、洋流和浪涌等綜合因素影響。為此，飛行員需要更為豐富的經(jīng)驗決定飛機是逆風降落、逆海浪降落，還是正側(cè)風、沿波峰等方式降落。
一般來講，在正常波浪的海面起飛時，飛機發(fā)動機的拉力產(chǎn)生的低頭力矩，使機頭有一定的下俯角度，但在大波浪的條件下起飛時，機頭反而抬起，在越過每個波浪后，機頭又迅速下俯，產(chǎn)生更大的下俯角度。為了避免起降過程中飛機飛行姿態(tài)過大，飛行員必須調(diào)整好操縱，才可以保持飛機飛行狀態(tài)的穩(wěn)定性，這讓海上試飛的難度變得更加突出。
無論是相對簡單的陸上首飛，還是難度遞增的水上首飛和海上首飛，都是水上飛機修煉“上天入海”本領的必由之路。只有經(jīng)歷過“破繭之旅”，水上飛機才能實現(xiàn)量產(chǎn)、贏得客戶肯定。
（文章轉(zhuǎn)載自《解放軍報》）
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眾所周知，水上飛機要從水面起降，必須兼顧船舶和飛機雙重特性，具備水動和氣動兩種性能。無論是整體設計布局，還是工藝材料要求，比起陸基飛機，水上飛機研制都更有難度。目前，世界上只有少數(shù)國家具備大型水上飛機研制能力。這是一個國家綜合工業(yè)實力的集中體現(xiàn)。
那么，水上飛機是如何“上天入?！钡?？制造一款大型水上飛機要突破哪些技術難題？請看解讀。
既要飛得高，還得會“打水漂”
要具備水上起降獨特“本領”，水上飛機在機型設計上與陸基飛機有很大不同。在達到陸基飛機氣動布局要求的同時，水上飛機更需要考慮復雜的水動力特性。
水動力特性之所以復雜，是因為它會隨著水上飛機起降的不同階段而發(fā)生變化。水上飛機滑行階段，可以看成是一艘船舶低速加速到高速的過程，而滑行穩(wěn)定性、水動阻力、噴濺等運動特性，在這一過程各個階段都是不同的。
滑行穩(wěn)定性主要取決于海上波浪對水上飛機的干擾強度。波浪干擾會導致飛機不斷上起下?lián)u，如果這種干擾不可控，水上飛機就會產(chǎn)生“海豚跳”現(xiàn)象——像海豚一樣上躥下跳，甚至會一頭“扎”進水里。
水上飛機對起飛重量的限制要求，決定它的重心無法像船舶一樣置于水下，而是要處于水面之上。這樣一來，飛機會產(chǎn)生橫側(cè)向傾斜，甚至發(fā)生側(cè)翻。為了滿足滑行階段的穩(wěn)定性，設計師通過在機翼兩側(cè)加裝浮筒，不僅增加了飛機浮力，還具備良好的橫向穩(wěn)定性。
水動阻力，是水上飛機水動力設計的另一難點。水的密度是空氣的800倍，在加速起飛階段，水上飛機需要有足夠動力去克服水的阻力。隨著滑行速度增加，水上飛機所受阻力會出現(xiàn)兩個峰值，只有越過第二個阻力峰值，飛機才能達到離水速度，順利起飛。否則，水上飛機就是一艘貼著水面高速滑行的快艇。
船身底部的斷階設計，是解決飛機離水起飛的一個重要措施。斷階讓水和機身之間產(chǎn)生一個空氣層，使得水上飛機在高速滑行中能夠克服氣壓差，在升力作用下順利升空。
早期斷階概念誕生于“施耐德”杯水上飛機競速比賽，設計師為提高飛行速度，將浮筒從無斷階過渡到有斷階時代。他們通過水動力試驗，發(fā)現(xiàn)斷階的形式、高度及相對飛機重心位置等對水上飛機水動阻力影響很大。
20世紀50年代，為提升船體和浮筒的水動特性，設計師提出采用收放式斷階替代固定式斷階的方式，通過起飛前后調(diào)整斷階深度，有效提升水上飛機飛行特性。
水上飛機在水面滑行時，機身底部會向四周噴射出強弱不等的水束，產(chǎn)生噴濺現(xiàn)象。噴濺除了沖刷船底增大滑行阻力外，還可能影響發(fā)動機正常工作，對螺旋槳、襟翼、尾翼等造成不良影響。
在水上飛機設計中，設計師一方面設法使螺旋槳、平尾等動力裝置避開噴濺，比如水上飛機常用的上單翼、T型尾翼等布局設計;另一方面設法抑制噴濺，例如將船身舭部設計為帶有舭彎和抑波槽的形狀，甚至利用邊界層控制技術降低水動載荷等。
防腐和密封，難以逾越的兩座“大山”
水上飛機作為“飛機+船”的組合產(chǎn)物，在制造上遠不是兩者技術疊加那樣簡單。除常規(guī)陸基飛機和艦船必需的技術外，考慮到高鹽高濕工作環(huán)境，水上飛機制造對防腐蝕能力、水密性等指標要求極高。
早期水上飛機，蒙皮接縫和鉚釘孔很容易滲入海水，艙底內(nèi)部經(jīng)常積水，腐蝕問題十分常見。后來，設計師在水上飛機的結(jié)構(gòu)和材料方面進行有益探索，使得防腐蝕能力有了顯著提高。
在結(jié)構(gòu)設計方面，水上飛機多采用全機水密鉚接，能夠有效防止雨、霧和海水浸入結(jié)構(gòu)內(nèi)部;合理設計漏水孔和通風孔的位置大小，使得內(nèi)部積水順利排出;在鉚釘、螺栓等連接件結(jié)合面進行適當隔離絕緣，防止雙金屬接觸腐蝕。
在制造材料選擇方面，水上飛機一般采用防腐蝕材料和表面涂層等技術，為機體披上“防護衣”。目前，水上飛機使用的是常見合金材料，存在一定缺陷。研制新的防腐蝕材料，一度成為各國研制水上飛機的難題之一。
發(fā)動機和各類電子元器件防腐蝕能力同樣是科研攻關的“重頭戲”。水上飛機的動力系統(tǒng)會額外安裝防腐蝕裝置，一般采用高壓空氣噴射方式，對發(fā)動機適時進行沖洗和清潔;機體內(nèi)電子元器件也有著嚴密的防霉菌、耐鹽霧、腐蝕防護和電磁兼容等環(huán)境適應性設計，這就要求水上飛機電控系統(tǒng)必須采用更強的防腐蝕材料和涂層技術。
水上飛機在結(jié)構(gòu)上開孔多、接縫多，密封難度可想而知。水上飛機一般采用3種方式確保機體密封性：一是在緊固件表面涂抹密封劑，消除緊固件與機身間的縫隙;二是在整機裝配完成后，進行氣密性檢驗;三是通過向機體進行高壓噴水，檢查是否有漏水、滲水問題。
為確保嚴格的水密性能，現(xiàn)代大型水上飛機還采用整體結(jié)構(gòu)設計，避免機體出現(xiàn)多處開孔。有些水上飛機還借鑒了輪船的設計理念，增加水密隔艙——將機身分割成若干個艙室，每個艙室之間用防水隔板和水密門分隔。一旦機身出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，只須將艙門關閉，就可以將漏水控制在艙室內(nèi)，而不會擴散到機身其他位置，避免飛機因進水而沉沒。
除了防腐和密封兩座“大山”，水上飛機在制造中還有很多“山峰”需要翻越，機體結(jié)構(gòu)強度便是其一。水上飛機在高速接水過程中，會產(chǎn)生巨大撞擊力，之后高速滑行過程，波浪也會對機體產(chǎn)生高頻沖擊。這種結(jié)構(gòu)響應，給水上飛機結(jié)構(gòu)強度設計帶來很大挑戰(zhàn)，需要付出更多結(jié)構(gòu)重量。
在總裝對接方式上，水上飛機相比陸基飛機難度也很大。設計制造水上飛機要同時考慮“半架飛機”和“半艘船”。這一過程非常復雜，不僅涉及高精度密封鉚接技術、對接數(shù)字化定位技術等，還需要輔以數(shù)字化柔性工裝及激光跟蹤儀測量。
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陸上首飛，即驗證水上飛機基本功能和飛行性能，是實現(xiàn)圖紙到試驗機的重要環(huán)節(jié)。水上飛機依靠起落架系統(tǒng)進行陸上起降，與陸基飛機并沒太大區(qū)別。
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海上首飛則重點檢驗水上飛機噴濺特性、抗浪性、加速特性和水面操縱性能，檢驗飛機各系統(tǒng)在海洋環(huán)境中的工作性能，以便收集海上飛行數(shù)據(jù)，對未來飛機執(zhí)行遠海貨物運輸、水上應急救援等任務提供支持。
相比于水上起飛，海上起飛可以說是水上飛機的“終極考驗”，有著更高的技術要求——海上環(huán)境對水上飛機各項性能要求更加苛刻。海水鹽度明顯高于湖泊淡水，對水上飛機各系統(tǒng)腐蝕防護有著更嚴峻的挑戰(zhàn);海水密度大，水上飛機起飛時克服水的“黏性”更大，降落時海水對飛機的反作用力也更強，飛行員往往感到海面比湖面“偏硬”;海上不同類型波浪同時存在，且傳播方向不一致，會使得水上飛機飛行環(huán)境更加復雜，飛機可能會產(chǎn)生上下顛簸和搖擺現(xiàn)象。
海上起飛對飛行員的視覺感受和操縱要求更加嚴格。海面比湖面更開闊，飛機降落時，飛行員選擇參考點不如湖面容易;海面環(huán)境比湖面環(huán)境更復雜，在試飛過程中，飛行員需要全面考慮風向、風速、洋流和浪涌等綜合因素影響。為此，飛行員需要更為豐富的經(jīng)驗決定飛機是逆風降落、逆海浪降落，還是正側(cè)風、沿波峰等方式降落。
一般來講，在正常波浪的海面起飛時，飛機發(fā)動機的拉力產(chǎn)生的低頭力矩，使機頭有一定的下俯角度，但在大波浪的條件下起飛時，機頭反而抬起，在越過每個波浪后，機頭又迅速下俯，產(chǎn)生更大的下俯角度。為了避免起降過程中飛機飛行姿態(tài)過大，飛行員必須調(diào)整好操縱，才可以保持飛機飛行狀態(tài)的穩(wěn)定性，這讓海上試飛的難度變得更加突出。
無論是相對簡單的陸上首飛，還是難度遞增的水上首飛和海上首飛，都是水上飛機修煉“上天入海”本領的必由之路。只有經(jīng)歷過“破繭之旅”，水上飛機才能實現(xiàn)量產(chǎn)、贏得客戶肯定。
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