“破茧之旅”:水上飞机如何“上天入海”?

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既要飞得高,还得会“打水漂”

要具备水上起降独特“本领”,水上飞机在机型设计上与陆基飞机有很大不同。在达到陆基飞机气动布局要求的同时,水上飞机更需要考虑复杂的水动力特性。

水动力特性之所以复杂,是因为它会随着水上飞机起降的不同阶段而发生变化。水上飞机滑行阶段,可以看成是一艘船舶低速加速到高速的过程,而滑行稳定性、水动阻力、喷溅等运动特性,在这一过程各个阶段都是不同的。

滑行稳定性主要取决于海上波浪对水上飞机的干扰强度。波浪干扰会导致飞机不断上起下摇,如果这种干扰不可控,水上飞机就会产生“海豚跳”现象——像海豚一样上蹿下跳,甚至会一头“扎”进水里。

水上飞机对起飞重量的限制要求,决定它的重心无法像船舶一样置于水下,而是要处于水面之上。这样一来,飞机会产生横侧向倾斜,甚至发生侧翻。为了满足滑行阶段的稳定性,设计师通过在机翼两侧加装浮筒,不仅增加了飞机浮力,还具备良好的横向稳定性。

水动阻力,是水上飞机水动力设计的另一难点。水的密度是空气的800倍,在加速起飞阶段,水上飞机需要有足够动力去克服水的阻力。随着滑行速度增加,水上飞机所受阻力会出现两个峰值,只有越过第二个阻力峰值,飞机才能达到离水速度,顺利起飞。否则,水上飞机就是一艘贴着水面高速滑行的快艇。

船身底部的断阶设计,是解决飞机离水起飞的一个重要措施。断阶让水和机身之间产生一个空气层,使得水上飞机在高速滑行中能够克服气压差,在升力作用下顺利升空。

早期断阶概念诞生于“施耐德”杯水上飞机竞速比赛,设计师为提高飞行速度,将浮筒从无断阶过渡到有断阶时代。他们通过水动力试验,发现断阶的形式、高度以及相对飞机重心位置等对水上飞机水动阻力影响很大。

20世纪50年代,为提升船体和浮筒的水动特性,设计师提出采用收放式断阶替代固定式断阶的方式,通过起飞前后调整断阶深度,有效提升水上飞机飞行特性。

水上飞机在水面滑行时,机身底部会向四周喷射出强弱不等的水束,产生喷溅现象。喷溅除了冲刷船底增大滑行阻力外,还可能影响发动机正常工作,对螺旋桨、襟翼、尾翼等造成不良影响。

在水上飞机设计中,设计师一方面设法使螺旋桨、平尾等动力装置避开喷溅,比如水上飞机常用的上单翼、T型尾翼等布局设计;另一方面设法抑制喷溅,例如将船身舭部设计为带有舭弯和抑波槽的形状,甚至利用边界层控制技术降低水动载荷等。

防腐和密封,难以逾越的两座“大山”

水上飞机作为“飞机+船”的组合产物,在制造上远不是两者技术叠加那样简单。除常规陆基飞机和舰船必需的技术外,考虑到高盐高湿工作环境,水上飞机制造对防腐蚀能力、水密性等指标要求极高。

早期水上飞机,蒙皮接缝和铆钉孔很容易渗入海水,舱底内部经常积水,腐蚀问题十分常见。后来,设计师在水上飞机的结构和材料方面进行有益探索,使得防腐蚀能力有了显著提高。

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