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(一)
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。
在人类早年的飞行活动中，水上飞机和水陆两栖飞机充当了举足轻重的作用，无论是开辟越洋航线还是用于战争，它们的产量与用途足以与当时的陆基飞机分庭抗礼。尤其上个世纪的二三十年代成为了水上飞机和水陆两栖飞机发展的黄金时期：英国的竞速水上飞机S-6“休泼马林”，德国道尼尔公司安装12台发动机的Do-X和美国波音公司的314“飞剪”水上客机，以及美国联合公司的巅峰之作PBY-5“卡塔林纳”水陆两栖飞机都名噪一时。我国的谭根、王助、巴玉藻等航空先驱也是通过研制水上飞机使中国人积极参与到当时的航空业中。
图1 船身式布局的“谭根”号与王助设计的波音C型双浮筒式水上飞机
人类对水上飞机和水陆两栖飞机的高度热情一直持续到二战后。事实上，这种热情也源自航空早期人类对飞机航程和发动机可靠性的无奈。战争对航空技术的推动使得陆基飞机的各方面性能足以胜任大洋上空的飞行，而水上飞机由于在气动外形和结构重量上付出了过多的代价走向了衰落，从航空飞行的主力退居成为替补。但是，水陆两栖飞机由于其部署和使用方面的灵活性仍一直受到青睐，在特种飞行器领域扮演着不可替代的角色。
除了海事和海洋防务，水陆两栖飞机与老百姓最为接近的显然是在通用航空领域，尤其在私人飞机盛行和湿地资源丰富的国家和地区，超轻型水陆两栖飞机更是由于其成本低廉，使用方便以及充满奇特美感的外形受到欢迎(图2-3)。它们的基本原理与大型水陆两栖飞机并无过多差别，但是由于“超轻型”的特质，使得它们具有很多设计特点，这也是本文将要重点介绍的内容。
图2 在通航发达的欧美，拥有一架超轻型水陆两栖飞机是水边居住者的梦想
图3 美国试验飞机协会(EAA)“飞来大会”时整齐停泊于湖面的私人飞机
很多国家为了鼓励通用航空的自由发展，对私人或私营企业制造的小型飞机都不再要求通过严苛且代价巨大的专业适航审定，而是颁布了各种特殊适航许可(special airworthinesscertificates)或设计标准，尤其对起飞重量几百公斤的超轻型飞机更是给予了政策上相当大的宽容。由于超轻型水陆两栖飞机的船身和浮筒需要满足水面航行和起降时应有的水密性、抗冲击性、稳定性等要求，这些许可或标准在重量上往往还会有针对性的进一步放宽，具有一定的科学性。
图4 水陆两栖飞机的船体和浮筒设计需要付出额外的重量代价
各国一般对超轻型飞机定义为单发、乘员总数在3个以内，但在重量界定上不尽相同，在失速速度限定上也有所区别：欧洲航空安全局(EASA)颁布的“甚轻型”(very light)飞机适航条例要求起飞重量在750kg以内；美国联邦航空条例(FAR)定义的轻型运动飞机(LSA)要求起飞重量在600kg以内，而水陆两栖飞机可放宽至650kg，这一数值也成为很多型号的设计最大起飞重量；澳大利亚民用航空条例对自制飞机的起飞重量规定不得超过544kg，同样对水陆两栖飞机放宽至614kg。上述条例都规定飞机失速速度必须低于45节(83km/h)。超轻型飞机最著名的设计标准是加拿大交通部颁布的DS-10141E，它对水陆两栖飞机起飞重量和失速速度的上限定为560kg和39节(72km/h)，我国民航总局也参考它制定了有关超轻型飞机适航审定的咨询通告。上述条例规范中对超轻型飞机起飞重量和失速速度的限制导致设计出来的飞机必须具有较好的低速巡航和停车滑翔性能，事实上通过飞机总体设计参数的限定无形中降低了飞机驾驶的难度也提高了超轻型飞机的飞行安全性。
最极端的条例是美国联邦航空条例FAR-103部规定的超轻型飞行器(ultra vehicles)空重上限，即著名的空重115kg标准。此外该条例还规定燃油量不得超过5加仑，失速速度不高于24节(44km/h)。事实上，如果仅仅制造一架简易的单人超轻型飞机，这一标准还是容易满足的，但是性能也仅仅能达到“飞着玩”的水平。然而，即便是单座的超轻型水上或水陆两栖飞机，空重也难以控制在115kg以内，因此紧接着又颁布了AC-103-7号咨询通告，允许主浮筒、船身和翼尖平衡浮筒额外增重23kg，同时还允许飞机配备额外的救生伞。美国航空爱好者鲍比•巴利按照上述重量标准制造了一架超轻型水上飞机，用他妻子的名字命名为“康妮”(Connie)，如图5。“康妮”在设计上虽然采用的是高性能的船身 翼尖平衡浮筒布局，但是简易到了极致——根本没有座舱的概念，驾驶员骑在船身上，完全暴露在迎面来流中，而船身还没有一般轻型双浮筒式水上飞机的主浮筒大。不过，“康妮”的梯形机翼采用了带前缘闭室的抗扭结构，平尾还是全动平尾，这在一般超轻型飞机中还是显得很“前卫”的。
图5 “康妮”虽然看似过于简易，但机翼尾翼设计却中规中矩
与“康妮”类似的还有美国戴尔•克莱默设计的“拉塞尔”(Lazair)水上飞机,其机翼机身采用了硬铝合金骨架,而尾翼则是非常规的倒V形尾翼。“康妮”和“拉塞尔”并不能被称为真正意义上的水陆两栖飞机，因为它们必须在飞行任务开始前决定是否拆除起落架，因此只能算是水陆“两用”飞机，而不能在一次飞行中实现在水陆之间的起降切换，如图6。
图6 “拉塞尔”在水上起飞之前由地勤人员拆除主起落架
由于近十年来大功率无刷电动机、调速装置以及锂聚合物电池在航空模型领域快速普及，它们也初步进入了轻型载人飞行器领域。“拉塞尔”原先采用两台小型二冲程汽油机作为动力，而在2011年利用上述成品航模器材被改装成了电动飞机，如图7。当然，即使电力系统的防水措施再好，电动水上飞机的电路安全性仍然值得商榷。
图7 “拉塞尔”采用两台大功率无刷电动机，机翼根部是锂电池舱
从浮力构件的配置来分类，水上飞机主要被分为四大布局：单主浮筒 翼尖平衡浮筒，双主浮筒，船身 翼尖平衡浮筒，船身 水鳍。二战时，很多巡洋舰和战列舰自带的水上侦查机采用的就是第一种布局，如图8，上文提到的“康妮”和“拉塞尔”也可近似看做这种设计。显然，单主浮筒的几何宽度难以提供足够的起落架跨距，其结构布置也难以安排起落架支柱、收放机构和相应的舱室，因此种布局难以开发成水陆两栖飞机，不过也有少量例外，如图9。
图8 二战时日本的水上战斗侦察机中岛九五式和川西十四式“紫云”都采用单个主浮筒
图9 美国海军格鲁曼J2F侦察机，其主起落架跨距显得十分局促
双主浮筒的布局主要用于将现成的陆基飞机直接改装成水上飞机，当作为水陆两栖飞机使用时必须另设复杂的机轮收放机构，如图10。在水面上滑行时，这种主浮筒的前轮可以升起与水面脱离接触，而主轮至少应半埋于断阶之后的轮舱中，其设计难点在于收放机构作动的同时保证浮筒各舱室的水密，而且浮筒结构能承受陆地起降时的冲击载荷。机轮的收放机构一般通过气动元件或伺服电机驱动。
图10 “埃尔坎”(Aircam)采用可收放起落架的主浮筒，由克拉玛公司专利技术生产
当然对于结构简易的设计，这种复杂的主浮筒并不是必须的。著名的“快银”(Quicksilver-MX)便采用纯粹且简单的主浮筒，而驾驶员可以方便的手动收放和锁定起落架，这完全得益于机身浮筒组件的紧凑安装，如图11。不过可以预料这种取巧的设计也将付出一定代价：水面起降稍有不慎就将造成乘员被溅一裤子水。
图11 “快银”的浮筒紧贴机身底部，因此起落架的收放方式也简单方便
无论是采用一个还是两个主浮筒，在飞行中无疑都将招致极其可观的空气阻力，而主浮筒本身又是无任何有效装载的死重，因此专门设计的水陆两栖飞机都倾向于采用船身式布局，这也是本文重点讨论的布局。当船身漂浮于水上时，从剖面方向看，具有三个重要的特征点，分别为：重心、浮心、横稳心，如图12。前两者分别为重力和浮力的作用点，而横稳心可理解为船身在水面横向倾斜摇摆时的旋转中心。
图12 船身倾斜时只要重心低于横稳心就能够产生扶正力矩恢复稳定
从直观经验判断，如果希望船身在水面稳定漂浮而不侧翻必定重心不能太高，这也就是为什么船舶往往在船底布置有压舱水甚至配重，而对于水陆两栖飞机的设计这显然是不现实的。从船舶理论来分析，如果船身需要稳定漂浮，并非重心一定要低于浮心，但却必须低于横稳心。船身越肥胖则横稳心越高，稳定性越好，但是这与飞机减阻显然是矛盾的；而水陆两栖飞机的商载和油箱都位于较高的位置，发动机更是“高高在上”，如果不采用额外的浮力构件，根本不可能满足重心低于横稳心的要求，因此水陆两栖飞机单凭船身想要稳定漂浮是不可能的。
（未完待续请见吴大卫航空知识专栏第二期）
