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硬核科普:万字百图解读水陆两栖飞机的前世今
发布时间:2019-08-11 18:36

  水陆两栖飞机历经百年的发展,已成为飞机大家族中的稀有机型,但其在现代航空业中的存在价值和意义却不容忽视,水陆两栖飞机独特的水陆起降特性更使其依然具有在民用和军事多个领域应用的优势。除了陆基飞机常规的设计制造技术外,水陆两栖飞机特有的关键技术则是保证其优良水面起降特性的技术保障,也是航空技术发展的一个重要方面。

  AG600黄领才总师在中国最硬核的航空学术期刊《航空学报》2019年大飞机专刊上发表了论文:《水陆两栖飞机的关键技术和产业应用前景》

  小编特意从该论文中摘录综述出本文,从传统布局和现代创新布局两个方面,来了解水陆两栖飞机的设计特点和技术特征、水动力特性和气动特性等关键技术、产业应用领域及前景,与各位航空爱好者和从业者分享。

  水陆两栖飞机是指既能在水面起降,又能在陆上起降的固定翼飞机,是在水上飞机的基础上发展而来的。

  最早的水陆两栖飞机出现在20世纪20年代初期,英国的维京公司(Viking)研制了大量的水陆两栖飞机,主要用于非洲探险和军事用途,如搜救、反潜、巡逻、轰炸等。

  最著名的机型肖特“桑德兰”多用途四发水陆▪•★两栖飞机,曾经在大西洋巡逻达12小时。

  从20世纪20年代到30年代后期,美国西科斯基公司(Sikorsky)的S系列水陆两栖飞机广泛用于全球的航线跨洋飞行,格鲁曼公司(Grumman)研制的轻型多用途水陆两栖飞机鹅式(Goose)和野鸭(Widgeon)进入民用市场,美国空军发现了它潜在的军用价值,水陆两栖飞机开始在军用和民用方面广泛流行。

  格鲁曼公司(Grumman)研制的轻型多用途水陆两栖飞机鹅式(Goose)

  除了美国和英国外,俄罗斯在二战前研制了水上飞船Shavrov Sh-2广泛应用于军用与民用领域,二战后研制了Be-12反潜和海上巡逻两栖飞机,及喷气式Be-200水陆两栖多用途飞机。

  随着战争的结束和航空技术的发展,水陆两栖飞机相对于陆基飞机的优势逐渐丧失,其航空客运、货运及邮递的民事用途和巡逻、反潜、搜救等军事用途逐步被陆基飞机或直升机所替代。

  日本是个群岛国家,海岸线 km,独具特色的水上飞机深受日本政府重视。在PS-1水上飞机的基础上逐步改进形成的US-2水陆两用救护机被业界认为是目前性能最好的水陆两栖飞机。

  加拿大庞巴迪公司研制的CL-215及后续改进型CL-415水陆两栖飞机是专门为灭火、搜索、巡逻和救护等任务而研制的,多国林业部门及海事部门都配备了这两款机型,是世界上研制及应用最为成功的水陆两栖飞机。

  中国在20世纪70年代研制了水上飞机水轰5,主要用于执行近海巡逻、侦察等任务,改装可用于森林灭火。

  2007年立项研制轻型水陆两栖飞机海鸥300,基本型为客运型,改装后可用于旅游观光、农林作业、飞行培训等用途。

  2009年立项研制大型灭火/水上救援水陆两栖飞机AG600,可作为水陆两栖多任务平台,加装灭火、救援、探测等设备,实现不同领域专业用途,有效保障中国应急救援体系建设。

  目前,欧洲多国共同开展了“FUSETRA”课题的研究,认为:加大水陆两栖飞机技术攻关,提升其技术水平,特别是气动、水动、材料、电子系统等,有望使水陆两栖飞机再次成为航空运输系统的中坚力量。

  最近美国的研究人员又提出了海上平台的概念,认为水上/水陆两栖飞机是连接海上平台的最好机种,可以充分发挥水上/水陆两栖飞机的多用途平台作用。

  第一架靠自身动力实现水上起飞和降落的水上飞机诞生于1910年。从加装简单浮筒实现水上起降,发展到浮筒式、船身式上单翼布局,动力从活塞发动机进化到涡桨、涡扇发动机,技术的进步促进了飞机性能的提高,并应用于军民多个领域。1

  从20世纪20年代至今,水陆两栖飞机逐步发展形成了船身式和浮筒式的常规布局,发动机高置于机翼或机身上,避开喷溅水流对发动机进气道、襟翼、螺旋桨等的冲击。

  1910年,法国亨利·法布尔基于他对浸水翼面和浮筒所△▪▲□△做的理论研究,研制出了世界上第1架浮筒式水上飞机,木制机体结构,鸭式布★◇▽▼•局,鸭翼下有一个浮筒,机翼下有两个浮筒,浮筒由胶合板制成,这种三浮筒式水上飞机气动阻力大,结构笨重,不易于操纵。

  1913年,美国人格伦·柯蒂斯对水上飞机结构布局进行了革命性改进,研制出了世界上第1架船身式水上飞机。相比于浮筒式水上飞机,船身式水上飞机机体结构简洁紧凑,飞行阻力更小,稳定性更好,这架飞机还首次◁☆●•○△实现了通过副翼对飞机进行横侧操纵。

  1913年首届竞速赛最快飞行速度就已达到了72.6 km/h。1934年,意大利的马基MC72型水上飞机在竞赛中创造了709.209 km/h的飞行记录。从下图可以看▪▲□◁到,水上飞机在此期间发生了很大变化,机身变得更加修长,浮筒已从无断阶过渡到了有断阶。

  第一次世界大战爆发前夕,英国索普威斯公司研制了“蝙蝠船”水上飞机,依据前期对水动力特性的研究成果,飞机船体采用了既可以减小起飞离水阻力,又便于在水上滑行的V型剖面,此项技术革新对于后来水上飞机的应用与发展产生了深远影响。

  20世纪30年代为水陆两栖飞机发展的黄金时期,其相关技术已经日臻成熟。水动力学已发展到比较完善的程度,布局型式从三翼机发展到双翼机,又从双翼式发展到单翼张臂式,从三浮筒发展到双浮筒,机身过渡到船身式,为了减少阻力,船身变得更尖更长,水、气动特性提升显著。发动机由翼上方改装到翼前缘,功率大幅增加,载重也随之增加,后期也曾有喷气式水上飞机出现。全金属水上飞机的出现,结构重量大幅降低,强度却大幅增加。可折进机身的滑橇、水翼等着水动机构也已经产生,飞行性能大幅提升。此时,水上飞机在军、民用领域的应用与发展都要优于同期的陆基飞机。

  第二次世界大战期间,英国的“康维尔·凯特林”水上飞机曾不间断飞行超过30小时。

  1947年,英国制造了世界上第1架喷气式水上飞机SR·A1,最大飞行速度超过了800 km/h。

  1930年,德国道尼尔公司研制了当时世界上最大的水上飞机Do-X,可搭载169人,最大飞行速度达到224 km/h。采用双翼布局,但下机翼很短,在起降时起浮筒的作用,保持机体横向的稳定。其另一作用是充当登机的浮桥,旅客先由小船载至下机翼,然后走入客舱,这是第1代大型水上运输机的特征。

  “维京”Bv222是第二次世界大战最大的军用水上飞机,该机翼翼展为46 m,机高为10.9 m,机身长为37 m,最大起飞重量为49 000 kg,最大航程为7 000 km,滞空时间达33小时。高置上单翼布局,两翼下的稳定浮舟设计很有特色,从中线一分为二向两侧收入机翼内,发动机置于机翼前缘的6个短舱中。

  第二次世界大战期间,美国仅PBY“卡特琳娜”系列水上飞机就生产了3 500多架,其翼尖处的平衡浮筒可以在起飞后向上收起,成为翼尖的一部分,减少了飞行阻力,气动性能大幅提升,飞行速度达314 km/h,航程达4 030 km,续航时间超过12小时。

  1947年,美国研制了航空史上最大的飞机—“大力神”H4水上飞机,比当今最大的An-225运输机还要大。

  Boeing-314建立了大西洋和太平洋航线,水上飞机成为当时的定期洲际航线的主角。

  Savoia-Marchetti S.55是意大利设计的一款双船身水上运输机,飞行从欧洲到美国的航线,在当时其速度、飞行高度、航程、有效载荷等创造了14项世界纪录。近年,日本学者开展了双机身水上飞机研究,认为双机身水上运输机可能将成为未来运输机向大型化发展的方向。

  20世纪50年代,航空界的研究人员除了对船体和浮筒所做的研究外,对其他的水动部件也做了大量的试验研究,如水撬、水翼的●试验。

  俄罗斯在水上飞机研发领域始终处于世界前列,其研制的“别”系列水上飞机在各个时期都有代表机型产生。如1948年研制的反潜水上飞机Be-6和多用途水陆两栖飞机Be-8;1956年研制的喷气后掠翼水上飞机Be-10;1960年研制了喷气水陆两栖飞机Be-12,该机曾创造42项飞行纪录,由于性能出色,至今仍在服役。20世纪80年代末研制了大型喷气A-40水陆两栖飞机,拥有不亚于陆基飞机的气动特性,水动特性、飞行品质、经济性等方面也非常优越。后期又成功研制了Be-200多用途水陆两栖飞机、Be-103轻型水陆两栖飞机和“澳洲野狗”多用途轻型水陆两栖飞机等机型,并出口到多国。

  水上/水陆两栖飞机技术随飞行竞速和战争的需求不断进步,20世纪30~50年代•●是其发展的黄金时期,形成了浮筒式和船体式布局,对浮筒/船体设计、以及水动力学等方面的研究也趋于成熟,此时,水陆两栖飞机基本保持和陆基飞机同等技术水平。随着航空技术的发展,陆基飞机技术发展超过水陆两栖飞机,逐渐取代了水陆两栖飞机。但现代水陆两栖飞机在传统技术基础上,通过创新技术的应用,提升了水陆两栖飞机的性能和多功能特性。3

  20世纪50年代后,水陆两栖飞机的新研机型较少,基本上延用传统构型,大中型水陆两栖飞机普遍采用船身式,如US-2,CL-415,小型水陆两栖飞机的构型较为灵活,多采用双浮筒式或船身式。而新型的水陆两栖飞机,在设计上打破了传统布局型式,外形更加靓丽流畅,功能也更加多样,飞行品质得到了显著提升。

  美国ICON公司研制的ICON A5轻型水陆两栖飞机,专门为水上娱乐而设计。采用高强度碳纤维复合材料作为框架;机翼可自动折叠;驾驶舱仪表设计与家用轿车极为相似,最大限度地降低了操纵难度。安装有整机安全降落伞,有效地保障了驾乘者和飞机本身的安全。

  法国丽夏飞机公司研制的AKOYA轻型水陆雪三栖飞机,同样也是为了水上娱乐而设计。AKOYA机体下方安装有水动升力小翼,可在陆地、水面和雪面灵活起降。整机由碳纤维复合材料制造,轻盈且具备高度可操控性,可在200米的距离内起降。机翼采用可拼装设计,折叠后可收入车库或由游艇装载。更为重◇•■★▼要的是,良好的滑翔性能和整机安全降落伞可最大限度地保障驾乘者和飞机的安全。

  美国航空设计师Burt Rutan凭借大胆新颖设计而闻名,SkiGull海鸥水陆两栖飞机就是其杰作之一,该机最显著特点就是拥有一对可满足陆上和水面起降类似于雪橇的起降结构,在陆上降落时,可通过弯曲变形缓冲着陆撞击。水面起飞时,可完全放下当作离水滑板。

  SeaStryder飞机是一种新型串列式机翼构型水陆两栖飞机,由加拿大Aquavion system Corp飞机公司研发制造。其特点在于其获得专利的极速浮动式机翼,机翼根部后缘可作为高速水上滑行面,相当于船体机身的“断阶”,在离水升空时可转动,是脱离水面吸力起飞离水的一种▲★-●新方式。此项技术可减小气动阻力,缩短起飞滑跑距离,改善燃油消耗经济性。

  法国设计师Yelken Octuri提出了帆船飞艇的概念,并基于此设计出了Sailing Aircraft,此种飞行器的外观就像只巨大的蜻蜓,可在帆船和水上飞机两种模式间自由切换,它的设计打破了传统水上飞机的布局形式,不仅实现了多功能,设计更具美感。

  centuar系列水上飞机就采用了三体船技术,并对船体型式进行了革新,提出了波浪船体的概念。

  法国设计师Yelken Octuri设计的游艇水上飞机,也采用了三体船的概念。

  水陆两栖无人机得到业界的关注,如Flyox I是西班牙的Singular Aircraft公司研制了4年之久的一款水陆两栖无人机,已完成了海上飞行试验,有搜救、灭火、货运和农用四种构型。2018年海航现代物流在南海区域完成首次大型水陆两栖无人机U650海洋环境应用试飞。U650机身由全碳纤维复材制成,具有◆◁•长航时、大载荷和水陆两用三大特点。未来将应用于船舶监控、海洋灾害监测、海上安全搜救、远海岛礁物流运送等多种任务。

  在20世纪50年代前,水陆两栖飞机基本保持和陆基飞机同等技术水平,之后的60年其发展势头却远远落后于陆基飞机,造成现代水陆两栖飞机与先进陆基飞机在技术、性能等各方面都存在较大差★-●=•▽距。

  下面从减阻增升的总体设计技术和气-水动布局技术、提升水面抗浪能力的高抗浪船体技术和附面层控制技术、以及腐蚀防护等方面阐述水陆两栖飞机的关键技术。1

  20世纪50年代前,对水上飞机的研究主要集中在气动特性与水动特性的研究上,随着现代飞机设计技术的发展,也有学者开始关注水陆两栖飞机的总体设计方法的研究。英国的学者者提出了一种分离设计方法,打破了传统的水上飞机先设计船体和浮筒,而后进行飞机总体设计的流程。这种方法是先进行飞机的设计,而后再设计船体和浮筒。这种方法的优点在于设计人员在不考虑船体设计参数下优化飞机的气动特性,再根据飞机的不同布局进行船体的适应性优化设计,这种方法更适合将陆机改为水陆两栖飞机。并认为应用此方法可设计出复杂的先进船体,设计的水陆两栖飞机具有出色的静水安定性、更高的抗浪特性,水动特性和气动特性方面可与同等速度的船舶和飞机相比,获得两者的设计最优化。

  水面起降过程是集空气动力学、水动力学、结构力学、弹性力学等多学科于一体的交融耦合过程,并且多变量相互耦合。设计人员尝试将数值仿真和优化技术应用于水陆两栖飞机的气、水动一体化多学科设计。国外有学者对常规布局和非常规布局的鸭翼、串列翼、盒式翼的水陆两栖飞机进行了气动、水动和结构一体化优化,不仅可减轻结构重量,同时提高了气动效率,更为适应水上环境。学术界有不少学者针对水陆两栖飞机的设计优化问题进行了研究。

  水动力特性是反应飞机水面起飞和降落过程中的水动阻力、纵倾角、升程等运动参◆■数随速度变化的规律,这些运动参数与飞机的气动特性共同决定水面起降过程中的水动力特性。水陆两栖飞机经过百年的发展,形成船身式带翼下浮筒、和浮筒式悬臂式上单翼结▼▼▽●▽●构的常规布局。上世纪50年代前,众多学者对这两种布局开展了大量研究,同时兼顾水动力特性和气动特性,增大▪…□▷▷•了设计的难度。

  英国的研究者基于对市场和技术的研究,提出水陆两栖飞机的研制应在制造、法规、和认证上满足时间、成本的需求。他们通过对多种设计方案的研究后提出了三体船式水陆两栖飞机方案,可显著提升水上飞机的稳定性和抗浪能力,可收放式的浮筒,减少了•☆■▲飞行时的气动阻力。3

  我国的AG600在研制中对船体水动布局及总体外形参数优化设计;如船体断阶形状,后缘角、前体扭曲、斜升角、舭弯及防溅条等几何参数选择及优化设计,提高船体水动性能,其中包括提高起降抗浪高度,减小滑行阻力和喷溅,提高滑水稳定性,降低着水撞击载荷等的技术措施;采用静态及动态水动力特性理论及数字仿真分析技术,及水动力模型水池试验等,完成了AG600飞机船体的优化设计。

  性能的优良反应在飞机的抗浪能力上。如果水陆两栖飞机具有3 m抗浪能力,出勤率将提高到90%以上,将进一步扩大适用海域范围,满足在恶劣海况条件下执行任务的需求。提高水陆两栖飞机的抗浪能力,仅靠常规的增升装置,难以满足高抗浪水陆两栖飞机对较高升力系数的需求。20世纪50年代,随着飞机增升技术的发展,附面层控制技术被应用于水上飞机,从而减轻了水动载荷,改善了水动特性。

  在PS-1基础上改进发展的US-1A、US-2突破了高抗浪性、低速飞行时的良好操纵性和地面起降下的滑行稳定性等一系列关键技术,可在五级海况、浪高3米的情况下在海面安全起降。US-2是目前唯一使用附面层控制技术的水陆两栖飞机。

  常规布局的水陆两栖飞机一般采用上单翼布局形式,主起落架也不宜收于机翼内,由于起落架支柱过长导致重量增加。

  AG600悬臂外伸式高单支柱起落架布局虽然能有效减轻重量,但对气动外形、全机重量分配、适航主轮距要求和收放运动机构提出了高要求。在设计过程中,采用三维建模及运动仿真,参照全机气动力计算和水动力试验等数据,不断优化起落架收放机构形式及收放路径,满足了滑行稳定性要求,并开展了起落架与机体结构连接优化设计、结构表面防护设计等。通过原理样机试验验证,表明这样的布局与收放系统是安全可靠的。

  有学者认为,新型复合材料的应用可彻底解决飞机机体腐蚀问题。水陆两栖飞机的复材使用率尚未达到5%。

  战后很多军用水上飞机被改装为民用,主要用于森林灭火、海上搜救、岛礁运输。

  澳洲水陆航空航天集团(AAG) 在调查了各种现有的通用飞机和水陆两栖飞机,发现只有水陆两栖飞机能够满足巡逻、搜索和救援、探测和拦截、客货运和公用事业等多项功能,计划将升级全新的涡桨版信天翁。

  此外,亚太区域的海上旅游和商业运营的需求增大机队数量。国外市场分析者认为,水陆两栖飞机的细分市场用户主要是商用、海军和海岸警卫队,应用的领域集中在旅游、运输、巡逻、搜救、灭火。其中巡逻和搜救是最大的市场,旅游可能是发展最快的市场。从区域上,北美、欧洲、亚太、中东和非☆△◆▲■洲、拉丁美洲,最大的市场可能在北美,亚太可能是发展最快的市场。

  水上飞机的市场空间,不像陆上飞机在全球市场上的需求与供应几乎达到平衡,水上飞机市场有待开发。过去的几十年间,除了俄罗斯以外,仅有加拿大、日本与中国3个国家,专门生产少量的较大水陆两用飞机。我国大型水陆两栖飞机AG600已完成陆上首飞和水上首飞的工作,这也标志着我国水陆两栖飞机研制进入了新阶段。

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