水上飞机如何“上天入海”

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。