吴大卫航空知识专栏：灵动于水天之界——超轻型水陆两栖飞机巡览(三)

编者：吴大卫，1984年生于南京，2012年在北京航空航天大学获得工学博士学位，现为中国商飞上海飞机设计研究院高级工程师。研究方向为：飞行器设计。他是一名纯正的航空科技研究专家，更是一名执着的航空爱好者，他知识广博，可以说他对于飞机的设计理念走在了世界前沿。

    吴大卫航空知识专栏：灵动于水天之界——超轻型水陆两栖飞机巡览总共包括三个部分，本期为第三部分也是最后一个部分。

船身式水陆两栖飞机的船身外形设计决定了它滑水时所获得水动升力的大小，尤其在进入较高速度的“断阶滑水”状态时，水动升力承担了绝大部分的飞机重量。船身外形还关系到滑水稳定性和喷溅特性，这对于干舷高度和动力系统高度都较低的小尺寸超轻型水陆两栖飞机来说尤其重要。

船身底部呈现出的弧面在滑行时会产生巨大的吸力，使飞机难以离水，因此必须在船身上安排断阶使得水流分离或掺混空气以破坏这种不利的吸力，但是断阶的位置对船身的滑行稳定性具有举足轻重的影响。一般说来，断阶应当在飞机重心后方一段距离使得飞机在滑水时以略微抬头的姿态“坐”在断阶之前的船底面上（如图21），否则滑行时会出现不稳定的“海豚运动”——绕俯仰轴起伏颠簸难以正常起飞。但是断阶在重心之后的这段距离并不是固定在某一值的，根据不同的船体宽度、尾段抬升角等几何形状断阶前后位置会有不同的选择（如图22-23）。

图21 断阶滑水状态时“美人鱼”(Mermaid)-M6，其机身为全金属蒙皮

图22 “阿文图拉”(Aventura)-2船身较宽，尾段抬升角大，其断阶位置较前(约45%翼弦下方)

图23 “克莱埃尔”(Colyaer)船身窄长，后体平直，断阶位置明显靠后(约70%翼弦下方)

     断阶造成了船底曲面的突变，其高度约为船身宽度的3%-7%。断阶高度越大将使得船身的离水性能越好，但是船底顺气流方向的曲面的连续性也被它破坏，造成了飞行时空气阻力的显著增加。大多数超轻型水陆两栖飞机都采用制造工艺最方便的简单式断阶，如图24，在船身舯部呈现出垂直机身轴线“横向一刀切”的形状，这种形状的断阶造成的空气阻力最大。平面形状为楔形的断阶设计也被广泛采用，如图25，这种断阶造成的空气阻力略小些，其最大优势在于允许飞机重心有较大的纵向变化范围同时能够使得起飞离水更加柔和。ATOL-500和海燕(Petrel)采用的断阶更有特点，其断阶的绝大部分高度变化量都是沿船身轴线方向过渡渐变的，更类似一个斜坡，如图26，这种断阶使船底的曲面突变程度显著降低，对柔和起飞离水和减小空气阻力也有利。值得一提的是，我国的“军舰鸟”采用的是平面形状为楔形的斜坡型断阶，兼具以上两种较好断阶设计的优势，在水动力学设计上还是比较考究的。

图24 “海盗”(Buccaneer)采用简单式断阶 

        图25 “海王”(Searey)采用楔形断阶

图26ATOL-500(左)和“海燕”(右)都采用高度渐变的斜坡型断阶

合理的断阶设计使得船身能够稳定滑行，但这只是船身设计的必要条件。由于超轻型水陆两栖飞机的尺寸很小，螺旋桨距离水面往往很近，很多设计又采用了半开敞座舱，为了避免在风浪中滑水起飞和“暴力”着水降落时激起的水花进入座舱或侵蚀螺旋桨，必须采取一些防溅措施。

    为减小水上航行阻力，船身底部横断面亦呈现楔形并一直延伸至船艏，其中心尖劈处的纵向脊线称之为龙骨，两侧边缘称之为船舭。航行时，龙骨“劈波斩浪”，水花沿着船底从船舭向后上方飞溅。为了抑制这种飞溅，可在船舭处设计出向下反弯的防溅条(又称为舭弯)，如图27。防溅条不但压住了水花，还像墙一样挡住了水动升力从船舭“泄漏”，在航行速度不同的各个阶段都发挥了有利影响。

图27 “阿文图拉”-2的船舭处防溅条一直从船艏延伸至断阶处

    多数单发超  轻型飞机都选择在翼根中线处高置安装推进式发动机和螺旋桨（图28），这种设计满足了发动机距离水面高度的需要，同时使得发动机架的结构紧凑，机身前段也能设计得更加流线，座舱内震动较小且视野良好。这种布局的唯一缺点是在非设计状态时位置靠后的螺旋桨可能被水花严重侵蚀。为了进一步保护螺旋桨，除了在其前缘包覆金属层，还可以单独设计出挡水的翼面，如图29。对于双翼机，一般下翼在上翼之后，这种“得天独厚”的优势使得下翼很自然的挡住了冲击螺旋桨的水花，如图30。对于类似“美人鱼”-M6采用的中单翼、背负式发动机和小直径螺旋桨的设计，螺旋桨桨盘全部位于机翼后缘上方的“干燥”区域也是解决这一问题的有效方案；但是中单翼难以采用超轻型飞机惯用的桁架式斜拉杆，只能设计成类似高性能飞机的悬臂式机翼结构，这将会付出较大的结构重量代价。

图28 “美人鱼”-M6的发动机架和推进式安装的Jabiru3300发动机，其机翼采用了低阻层流翼型

图29 “遄塞特”-MD3在下翼根部具有挡水的后缘延伸段，螺旋桨具有铝合金前缘

图30 同样双翼布局的“超级海燕”(Super petrel)利用偏后的下翼保护螺旋桨免于水花侵蚀

翼根后缘安装推进式发动机在结构和气动上都带来了收益，但往往使得飞机“头轻”，重心偏后，这在配载安排上需要予以平衡。上文提到，并列双座的飞机在单人飞行时往往需要在闲置的座椅上安放等效配重；“埃尔坎”将用于设备供电和发动机启动的机载蓄电池放置在仪表板之前的机头设备舱内以调整重心；而“阿文图拉”-2更是在机头设置了一个行李舱和相应的巨大口盖。

图31 “埃尔坎”设备舱托架的最前端放置了沉重的蓄电池

图32 断阶滑水状态的“阿文图拉”-2，注意机头巨大的行李舱盖

有些超轻型水陆两栖飞机沿用了大型水上飞机的水舵设计，用于水面低速航行阶段时的航向控制。水舵浸没在水线下，是面积远远小于方向舵的全动舵面，其位置一般在机身后半段的辅助断阶或尾柱下方，如图33；有些后三点起落架的设计甚至将水舵结合在可转向的尾轮结构上，如图34。水舵使得水上航行的转弯机动性大增，但也造成飞机地面起降时的擦尾角或地面安全间距明显变小，抬头姿态略微偏大或者起落架着陆变形较大时便会造成水舵触地损坏，因此不少超轻型水陆两栖飞机的水舵设计成可收放的形式，如图35。

图33 为保持与地面的安全间距“海王”的水舵面积很小，其位置在辅助断阶处

图34 停泊于浅水的美国瑟斯顿公司的“小水鸭”(Teal)，尾轮支柱上安装有水舵

图35 前三点起落架的“希麦克斯”(Seamax)为保证足够大的擦尾角，采用可收放水舵

不过，关于超轻型水陆两栖飞机是否真的有必要保留水舵的设计也没有最终的结论，因为方向舵在水面航行时一般浸没在螺旋桨强劲的滑流里，可以提供足够的操纵力矩使得尺寸娇小的船身完成小半径的水面转弯，如图36。因此很多成功的超轻型水陆两栖飞机并没有采用水舵，这也使得水线下的船体呈现出较为“干净”的外形，避免了浅水区水草或水下其他杂物对水舵的缠绕。

图36 “军舰鸟”仅凭螺旋桨滑流中的方向舵就可实现水面小半径转弯，注意其尾迹

为满足很多航空爱好者自行组装与改装的需求，同时避免冗繁的型号合格审定，现在很多厂商开发的超轻型飞机都以套材的形式出售，超轻型水陆两栖飞机当然也涵盖其中。美国试验飞机协会(EAA)便颁布著名的“亲自完成51%工作量”规则，按此规则组装的套材飞机便可注册为试验类轻型运动飞机，当然这种业余制造的飞机只能用于私人飞行，不能用于商业和飞行训练。

由于超轻型水陆两栖飞机的制造工艺肯定高于同类陆基飞机，制造商对船身、浮筒这种硬壳类水密浮力构件往往采取复合材料成品组件出售，机身骨架往往采用硬铝合金管材螺栓连接而不采用合金钢焊接结构，避免私人制造装配时由于经验不足出现结构安全隐患。例如：“超级海燕”套材，如图37，其船身、浮筒和机翼主梁等关键部件普遍采用碳纤维材质，模具成型；“阿文图拉”-2套材，如图38，其船身和翼尖平衡浮筒都采用传统的玻璃钢工艺，机翼蒙皮采用涤纶帆布也由厂家预先缝制好，除了起落架支柱采用镀镍的4130铬钼合金钢外，所有机身、机翼骨架和发动机架都是淬火时效处理的2024硬铝合金或7075超硬铝合金管材或角材通过航空螺栓连接，无需任何焊接工艺和特殊的工装夹具，其所有铝合金结构件也在厂家进行了高质量的阳极化防锈处理。

图37 以套材出售的“超级海燕”各大组件

图38 套材出售的“阿文图拉”-2与其轻便的铝合金骨架(该图像素不太高，不宜过大)

作为一直坚持发展水陆两栖飞机的俄罗斯，其别里耶夫系列的各种大中型水陆两栖飞机驰名全球，而用于个人飞行的超轻型水陆两栖飞机也有不少设计作品，最有名的算是切诺夫设计的切-22以及后续发展的切-25/27，不但在俄罗斯和乌克兰使用还以套材的形式远销越南、南非和希腊。切-22虽然是类似大型飞机的双发设计，发动机为两台Rotax-503(50hp)或Rotax-582(64hp)，但起飞重量仍在650kg以内，符合美国的轻型运动飞机(LSA)的定义。它一般作为高性能的双座飞机使用，但实际上座舱内部能容纳四人，发动机的功率也勉强能满足四人乘坐。切-22的机翼采用的也是传统超轻型飞机使用的铝合金骨架 织物蒙皮，机身蒙皮采用的是“三明治”式的泡沫夹心玻璃钢结构。切-22最具特点的是其封闭式翼尖和带辅助平衡浮筒的端板：当飞机静止停泊于水面上，翼尖着水，带辅助平衡浮筒的端板亦插入水中产生浮力，提供扶正力矩；航行速度增大过程中，端板就像水翼艇的水翼一样产生水动升力使翼尖升出水面，此时端板末端的辅助平衡浮筒就能够提供足够的扶正力矩，使飞机从翼尖触水的倾斜状态改出。封闭式翼尖和端板还能够起到类似翼梢小翼的作用，阻挡了翼尖涡的生成，减小了机翼的诱导阻力。

图39 断阶滑水状态的切-22，翼梢设计独具特色  

图 40安装雪橇的切-22，富有浓郁的俄罗斯风格

    超轻型水陆两栖飞机成本低廉，使用机动灵活，结构虽较同级别陆基飞机复杂但在制造维护上难度并不算太高。目前，超轻型水陆两栖飞机在方兴未艾的通用航空中虽然谈不上绝对主力，但显然是独树一帜长盛不衰的一个亮点。它在技术和用途上的优势以及独特鲜明的航空美感一直吸引着国内外众多航空爱好者与通航企业，相信在通用航空蓄势待发且湿地资源丰富的中国能有一翻作为。当然，不仅仅是几百公斤的超轻型级别，我们更期待着有更多的大大小小的水陆两栖飞机灵动于中国的水天之界。