欢迎您登录科学中国人官方网站!!
新浪微博|网站地图|联系我们
水上飞机如何“上天入海”

来源:  发布时间:2021-10-15

文 雷柱 刘桓玮 刘常春

  
  
  5月8日,在首届长三角国际应急减灾和救援博览会上,我国自主研制的大型水陆两栖飞机“鲲龙”AG600与多位用户完成签约工作,为国产航空装备助力国家应急救援体系建设注入新动能。
  众所周知,水上飞机要从水面起降,必须兼顾船舶和飞机双重特性,具备水动和气动两种性能。无论是整体设计布局,还是工艺材料要求,比起陆基飞机,水上飞机研制都更有难度。目前,世界上只有少数国家具备大型水上飞机研制能力。这是一个国家综合工业实力的集中体现。
  那么,水上飞机是如何“上天入海”的?制造一款大型水上飞机要突破哪些技术难题?请看解读。
  
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。
  在结构设计方面,水上飞机多采用全机水密铆接,能够有效防止雨、雾和海水浸入结构内部;合理设计漏水孔和通风孔的位置大小,使得内部积水顺利排出;在铆钉、螺栓等连接件结合面进行适当隔离绝缘,防止双金属接触腐蚀。
  在制造材料选择方面,水上飞机一般采用防腐蚀材料和表面涂层等技术,为机体披上“防护衣”。目前,水上飞机使用的是常见合金材料,存在一定缺陷。研制新的防腐蚀材料,一度成为各国研制水上飞机的难题之一。
  发动机和各类电子元器件防腐蚀能力同样是科研攻关的“重头戏”。水上飞机的动力系统会额外安装防腐蚀装置,一般采用高压空气喷射方式,对发动机适时进行冲洗和清洁;机体内电子元器件也有着严密的防霉菌、耐盐雾、腐蚀防护和电磁兼容等环境适应性设计,这就要求水上飞机电控系统必须采用更强的防腐蚀材料和涂层技术。
  水上飞机在结构上开孔多、接缝多,密封难度可想而知。水上飞机一般采用3种方式确保机体密封性:一是在紧固件表面涂抹密封剂,消除紧固件与机身间的缝隙;二是在整机装配完成后,进行气密性检验;三是通过向机体进行高压喷水,检查是否有漏水、渗水问题。
  为确保严格的水密性能,现代大型水上飞机还采用整体结构设计,避免机体出现多处开孔。有些水上飞机还借鉴了轮船的设计理念,增加水密隔舱——将机身分割成若干个舱室,每个舱室之间用防水隔板和水密门分隔。一旦机身出现漏水现象,只须将舱门关闭,就可以将漏水控制在舱室内,而不会扩散到机身其他位置,避免飞机因进水而沉没。
  除了防腐和密封两座“大山”,水上飞机在制造中还有很多“山峰”需要翻越,机体结构强度便是其一。水上飞机在高速接水过程中,会产生巨大撞击力,之后高速滑行过程,波浪也会对机体产生高频冲击。这种结构响应,给水上飞机结构强度设计带来很大挑战,需要付出更多结构重量。
  在总装对接方式上,水上飞机相比陆基飞机难度也很大。设计制造水上飞机要同时考虑“半架飞机”和“半艘船”。这一过程非常复杂,不仅涉及高精度密封铆接技术、对接数字化定位技术等,还需要辅以数字化柔性工装及激光跟踪仪测量。
  
三次试飞,水上飞机的“破茧之旅”
  
  现代水上飞机大都具有“水陆两栖、一机多型”的特点,在大批量生产前,必须进行3次不同方式的首飞试验。
  陆上首飞,即验证水上飞机基本功能和飞行性能,是实现图纸到试验机的重要环节。水上飞机依靠起落架系统进行陆上起降,与陆基飞机并没太大区别。
  水上首飞和海上首飞,包括飞机“从空中降落水面”和“从水面滑行升空”两个测试阶段。两者看似进行了相同的测试科目,却对水上飞机性能检验有着不一样的意义。
  水上首飞一般在湖面进行,主要验证水上飞机各系统水面工作情况,并初步验证飞机水面起降的操作性能,为投入森林灭火和自然灾害防治体系建设做充分准备。
  海上首飞则重点检验水上飞机喷溅特性、抗浪性、加速特性和水面操纵性能,检验飞机各系统在海洋环境中的工作性能,以便收集海上飞行数据,对未来飞机执行远海货物运输、水上应急救援等任务提供支持。
  相比于水上起飞,海上起飞可以说是水上飞机的“终极考验”,有着更高的技术要求——海上环境对水上飞机各项性能要求更加苛刻。海水盐度明显高于湖泊淡水,对水上飞机各系统腐蚀防护有着更严峻的挑战;海水密度大,水上飞机起飞时克服水的“黏性”更大,降落时海水对飞机的反作用力也更强,飞行员往往感到海面比湖面“偏硬”;海上不同类型波浪同时存在,且传播方向不一致,会使得水上飞机飞行环境更加复杂,飞机可能会产生上下颠簸和摇摆现象。
  海上起飞对飞行员的视觉感受和操纵要求更加严格。海面比湖面更开阔,飞机降落时,飞行员选择参考点不如湖面容易;海面环境比湖面环境更复杂,在试飞过程中,飞行员需要全面考虑风向、风速、洋流和浪涌等综合因素影响。为此,飞行员需要更为丰富的经验决定飞机是逆风降落、逆海浪降落,还是正侧风、沿波峰等方式降落。
  一般来讲,在正常波浪的海面起飞时,飞机发动机的拉力产生的低头力矩,使机头有一定的下俯角度,但在大波浪的条件下起飞时,机头反而抬起,在越过每个波浪后,机头又迅速下俯,产生更大的下俯角度。为了避免起降过程中飞机飞行姿态过大,飞行员必须调整好操纵,才可以保持飞机飞行状态的稳定性,这让海上试飞的难度变得更加突出。
  无论是相对简单的陆上首飞,还是难度递增的水上首飞和海上首飞,都是水上飞机修炼“上天入海”本领的必由之路。只有经历过“破茧之旅”,水上飞机才能实现量产、赢得客户肯定。
  (文章转载自《解放军报》)
  

分享到:
杂志
本期封面

2021年11月中

上一期 下一期