是飛機(jī)又不是飛機(jī)——大型水上飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

賀杰

水上飛機(jī)兼具船舶和飛機(jī)的特性，要十分注意兼顧水動(dòng)和氣動(dòng)性能，研制難度較普通船舶和飛機(jī)難得多。毫不夸張地說(shuō)，設(shè)計(jì)建造一款大型水上飛機(jī)需要舉全國(guó)之力協(xié)同攻關(guān)，體現(xiàn)的是一國(guó)航空工業(yè)的整體水平。大型水上飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)國(guó)家相關(guān)產(chǎn)業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有十分重要的輻射效應(yīng)，價(jià)值突出。

六大技術(shù)挑戰(zhàn)

除常規(guī)飛機(jī)和艦船必需的關(guān)鍵技術(shù)外，大型水上飛機(jī)還存在基于特殊使用環(huán)境和特殊結(jié)構(gòu)的特殊技術(shù)要求，主要包括氣-水混合動(dòng)力布局、高抗浪性、防腐蝕、密封性、精確對(duì)接裝配5個(gè)方面，由此面臨6大技術(shù)挑戰(zhàn)。

氣-水動(dòng)布局 大型水上飛機(jī)在達(dá)到常規(guī)飛機(jī)的氣動(dòng)布局要求的同時(shí)，還要特別注意飛機(jī)在水面起降過(guò)程中滑行、離水與接水瞬間的水動(dòng)力特性要求，涉及氣-水交接區(qū)域氣-水耦合特性理論。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在臨近水面的這一水氣混合區(qū)域，空氣濕度較大，飛機(jī)所遇到的阻力兼含水動(dòng)阻力和空氣阻力特性，隨著機(jī)身不斷高速貼近（遠(yuǎn)離）水面，這一混合阻力大致呈現(xiàn)一個(gè)拋物線的變化過(guò)程，直至完全接觸（脫離）水面后全部轉(zhuǎn)化為水動(dòng)（空氣）阻力。那么，研制大型水上飛機(jī)就必須精準(zhǔn)計(jì)算這一過(guò)程中機(jī)體所受阻力的變化，以保證所受阻力最小，對(duì)飛行滑行影響最小。AG600在研制過(guò)程中，僅氣-水動(dòng)布局設(shè)計(jì)上就進(jìn)行了上萬(wàn)次試驗(yàn)。

高抗浪船體設(shè)計(jì) 抗浪指標(biāo)是大型水上飛機(jī)的核心指標(biāo)之一，它直接決定了水機(jī)的可用性，如果抗浪指標(biāo)不理想，那么水機(jī)很可能在大多數(shù)場(chǎng)景下都無(wú)法有效發(fā)揮作用。抗浪性能主要源于對(duì)機(jī)身下半部的船體設(shè)計(jì)，包括船體斷階位置和形狀、后緣體、前體扭曲、斜升角等關(guān)鍵部位的參數(shù)選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)，涉及靜動(dòng)態(tài)水動(dòng)力特性理論和數(shù)字仿真技術(shù)，以在建模階段實(shí)現(xiàn)提高起降抗浪高度和滑水穩(wěn)定性，減小滑行阻力和噴濺、降低著水撞擊載荷等技術(shù)目標(biāo)，后續(xù)還應(yīng)有水動(dòng)力模型水池試驗(yàn)等環(huán)節(jié)。

防腐蝕與水密性設(shè)計(jì) 考慮到高鹽高濕的工作環(huán)境，水上飛機(jī)設(shè)計(jì)的最基本要求就是良好的腐蝕防控能力和水密性。在防腐方面，一般采用艦船防腐蝕材料和表面涂層防護(hù)技術(shù)，這里面，水線上下部分的指標(biāo)要求又有區(qū)別，同時(shí)，對(duì)零部件組裝工藝特別是精細(xì)度要求非常高。在水密性方面，一般采用“三步曲”確保機(jī)體密封性：一是使用緊固件（螺母、螺帽等標(biāo)準(zhǔn)件）濕安裝方法，即在緊固件桿與機(jī)身結(jié)構(gòu)孔壁貼合的整個(gè)表面涂抹密封劑，并在密封劑的活性期內(nèi)安裝好緊固件，從而消除緊固件與機(jī)身之間的縫隙。二是在整個(gè)機(jī)身裝配完成后，對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)的鉚接質(zhì)量和密封質(zhì)量，以及蒙皮對(duì)縫的密封質(zhì)量進(jìn)行氣密性檢驗(yàn)。三是向機(jī)體進(jìn)行高壓噴水，內(nèi)部相應(yīng)部位安排技術(shù)人員檢查是否有漏水滲水問(wèn)題，從而模擬飛機(jī)在水面停放或滑行時(shí)，靜水壓下的機(jī)體密封情況。在AG600研制過(guò)程中，陜飛結(jié)合了以往研制運(yùn)八、運(yùn)九等機(jī)型的經(jīng)驗(yàn)，攻克了復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)裝配工藝，大型機(jī)身蒙皮多層化銑等技術(shù)難關(guān)，實(shí)現(xiàn)了良好的大機(jī)體密封性能。

起落架布局與收放系統(tǒng)安全性 由于對(duì)密封性和水動(dòng)性能的特殊要求，大型水上飛機(jī)的主起落架不能像同體量的大型運(yùn)輸機(jī)一樣置于機(jī)身底部，只能收于機(jī)身兩側(cè)，造成收放結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對(duì)空氣動(dòng)力性能造成一定影響，因此需要對(duì)氣動(dòng)外形、全機(jī)重心分配、適航主輪距和收放運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等方面進(jìn)行重新優(yōu)化，在保證著陸的穩(wěn)定性與安全性的同時(shí)，減小其對(duì)飛行和水面滑行的影響。一般采取仿真建模方式，對(duì)不同起落架布局進(jìn)行模擬，結(jié)合全機(jī)氣水動(dòng)阻力計(jì)算和試驗(yàn)，根據(jù)整流罩所需的外形調(diào)整起落架收放角度以及下位鎖位置，確定起落架收放機(jī)構(gòu)形式、收放路徑和方式，同時(shí)形成可接受的起落架整流罩位置和外形。

整體機(jī)翼壁板噴丸成型技術(shù) 開(kāi)孔多、接縫多，密封隱患自然就多，因此現(xiàn)代大型水上飛機(jī)大量采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中又以飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)和承載油料的機(jī)翼為重點(diǎn)。為在提高機(jī)翼強(qiáng)度的同時(shí)兼顧密封性，目前主流設(shè)計(jì)是在翼肋處采用薄壁加筋結(jié)構(gòu)，類似于房屋裝修時(shí)為吊頂板打上龍骨，既保證了整體結(jié)構(gòu)又確保了強(qiáng)度。由于水上飛機(jī)機(jī)翼載荷較小，如果機(jī)翼壁板偏薄，那么穩(wěn)定性就會(huì)受到影響，為此一般采用較大的立筋高度且?guī)в幸欢ń嵌鹊呐まD(zhuǎn)，進(jìn)一步加大了壁板的噴丸成型難度。西飛在建造AG600中段機(jī)身時(shí)，就突破了機(jī)翼薄壁高筋壁板噴丸強(qiáng)化與成型技術(shù)難關(guān)，從而高質(zhì)量保證了翼身對(duì)接、起落架的安裝協(xié)調(diào)。

復(fù)雜船體制造與裝配 現(xiàn)代大型飛機(jī)基本都采用分段制造方式，最后由總裝廠進(jìn)行對(duì)接裝配。但水上飛機(jī)的不同在于，總裝的不僅有傳統(tǒng)的機(jī)體還有船體，相當(dāng)于要同時(shí)對(duì)接半架飛機(jī)和半艘船，而且集中在同一段機(jī)身上，設(shè)計(jì)完全不同，難度可想而知。其中涉及到高精度密封鉚接技術(shù)、對(duì)接數(shù)字化定位技術(shù)等，同時(shí)還需要輔以數(shù)字化柔性工裝及激光跟蹤儀測(cè)量，是一個(gè)既要科技又要“工匠”的工程。比如AG600在大部件對(duì)接工裝研制環(huán)節(jié)，全面采用數(shù)字化協(xié)調(diào)裝配工藝，研制低成本半自動(dòng)柔性對(duì)接工裝、6套標(biāo)工和7項(xiàng)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)集，工程難度和體量都比較大。

獨(dú)具特色的功能系統(tǒng)endprint

現(xiàn)代飛機(jī)均采用模塊化設(shè)計(jì)，不同子系統(tǒng)耦合組配，形成完整的功能系統(tǒng)。考慮到大型水上飛機(jī)的任務(wù)定位，除常規(guī)飛機(jī)必備的子系統(tǒng)外，一般來(lái)說(shuō)，大型水上飛機(jī)還有具有自身特點(diǎn)的子系統(tǒng)，主要包括特殊的動(dòng)力系統(tǒng)和航電系統(tǒng)，以及任務(wù)系統(tǒng)（水上搜救和滅火系統(tǒng)）。

動(dòng)力系統(tǒng) 由于水上飛機(jī)大多數(shù)時(shí)候都在水上作業(yè)，發(fā)動(dòng)機(jī)極易進(jìn)水，輕者加快零部件腐蝕程度，重者造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。因此，水上飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)均需額外安裝防腐蝕裝置，一般采用高壓空氣噴射方式，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)適時(shí)進(jìn)行沖洗和清潔。

航電系統(tǒng) 同樣，航電系統(tǒng)也必須經(jīng)受高濕高鹽環(huán)境的考驗(yàn)。一方面，電子元器件對(duì)環(huán)境比較敏感，這就要求航電系統(tǒng)采用更強(qiáng)的耐腐蝕材料和涂層技術(shù)。另一方面，水上飛機(jī)特殊的機(jī)體結(jié)構(gòu)給機(jī)載天線布局和安裝帶來(lái)諸多不便，為了采取最優(yōu)設(shè)計(jì)，保證電子部件和設(shè)備間減少相互串?dāng)_和外界干擾，需要在設(shè)計(jì)論證階段通過(guò)建模仿真進(jìn)行精確計(jì)算。

水上搜救系統(tǒng) 水上搜救是大型水上飛機(jī)的優(yōu)勢(shì)。與救援直升機(jī)等航空救援裝備不同的是，水上飛機(jī)的搜救系統(tǒng)具有獨(dú)特的低空搜索和著水救援方式。低空搜索指水上飛機(jī)采取貼近水面的半滑行半飛行狀態(tài)搜索遇難人員，系統(tǒng)包括無(wú)線電搜索設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備等；著水救援指在海況、天氣適宜的情況下，水上飛機(jī)直接降落在水面，向船舶一樣救撈遇難人員，系統(tǒng)包括水面營(yíng)救設(shè)備、座椅擔(dān)架和救生包等。比如俄羅斯Be-200水上飛機(jī)專門設(shè)計(jì)了用于飛行員低空搜索目標(biāo)的座椅，在保證安全性的同時(shí)最大可能擴(kuò)大目視搜索范圍。

滅火系統(tǒng) 空中滅火是二戰(zhàn)后水上飛機(jī)承擔(dān)的主要職能使命。水上飛機(jī)的滅火系統(tǒng)通常由兩個(gè)分系統(tǒng)組成：一是投汲水控制分系統(tǒng)。主要用于控制汲水和投水作業(yè)，包括滅火控制面板、控制盒、投汲水動(dòng)作和量化裝置。以滅火控制盒為中心，綜合滅火控制面板、傳感器、燃油等信號(hào)指示，按照既定設(shè)計(jì)邏輯輸出控制指令，為飛行員作出決策提供輔助參考。二是水箱結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)。主要用于存儲(chǔ)水源，包括水箱箱體、投水艙門、溢水裝置、汲水裝置和注水裝置。

特殊的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度要求

考慮到較大的體積，以及特殊的工作任務(wù)與環(huán)境，大型水上飛機(jī)在結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度上有著不同于陸基飛機(jī)和船舶的要求。

機(jī)身與機(jī)尾翼結(jié)構(gòu) 目前大型水上飛機(jī)機(jī)身下半部分均采用多曲變截面的流線型船體結(jié)構(gòu)，通常在底部和兩側(cè)會(huì)設(shè)置抑波槽與船舭，上半部分則是常規(guī)飛機(jī)座艙和通艙布局。機(jī)尾翼部分，大型水上飛機(jī)一般采用上單翼和水平尾翼布局，機(jī)翼兩側(cè)對(duì)稱安裝至少一對(duì)浮筒，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是保證空中飛行和水面起降的穩(wěn)定性特別是橫向穩(wěn)定。考慮到適航證獲取的問(wèn)題，機(jī)尾翼部分還要驗(yàn)證氣動(dòng)彈性性能，包括顫振對(duì)飛行性能的影響、機(jī)翼發(fā)散分析、操縱效率計(jì)算、彈性載荷計(jì)算等，這部分主要采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方式完成。

強(qiáng)度要求 強(qiáng)度要求是指飛機(jī)各部件結(jié)構(gòu)所能承受的最大載荷，包括動(dòng)強(qiáng)度和靜強(qiáng)度要求。在靜強(qiáng)度方面，大型水上飛機(jī)一般均參考成熟機(jī)型和船型的設(shè)計(jì)，同時(shí)保證機(jī)體構(gòu)件鍛造和鉚接質(zhì)量。在動(dòng)強(qiáng)度方面，需要突出水上降落對(duì)機(jī)體強(qiáng)度的要求。此外，考慮到AG600這類大型水上飛機(jī)工作環(huán)境惡劣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等因素，疲勞與損傷容限能力也是需要重點(diǎn)提升的技術(shù)指標(biāo)，包括對(duì)疲勞與損傷容限精確評(píng)估和試驗(yàn)等。

首飛不等于慶功

嚴(yán)格意義上講，大型兩棲飛機(jī)完成陸上起降試驗(yàn)只是試飛工作的開(kāi)頭，算半次首飛，更為嚴(yán)峻復(fù)雜的水上起降試驗(yàn)還在后面，這也意味著還有更多技術(shù)難關(guān)等待驗(yàn)證和攻克。

水動(dòng)載荷試驗(yàn) 載荷試驗(yàn)是對(duì)一架飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基本檢驗(yàn)，水陸兩棲飛機(jī)不僅要承受陸基飛機(jī)固有的空氣動(dòng)力載荷、地面載荷，還要承受水動(dòng)載荷，后者是指水上飛機(jī)與水面接觸過(guò)程中受到來(lái)自水施加的力。關(guān)于水動(dòng)載荷分布的精確計(jì)算和試驗(yàn)，是確保水上起降安全性穩(wěn)定性的基本前提。包括載荷譜的研究編制，不同運(yùn)動(dòng)條件下的水動(dòng)載荷統(tǒng)計(jì)、水-氣混合載荷值及載荷分布規(guī)律等。

水上起降與作業(yè)試驗(yàn) 這是大型水上飛機(jī)的基本應(yīng)用方式。需要結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù)構(gòu)建水面起降虛擬飛行仿真模型，通過(guò)疊加海況、天氣等因子，研究得出在水上起降與作業(yè)的操作規(guī)范和方法，科學(xué)指導(dǎo)水上飛機(jī)的使用。日本在二戰(zhàn)后研制的第一款大型水上飛機(jī)PS-1就因?yàn)閷?duì)使用環(huán)境預(yù)估不足，導(dǎo)致飛機(jī)服役后在高海況下無(wú)法使用，結(jié)果很快進(jìn)行了改進(jìn)，造成了大量浪費(fèi)。

高精度降水滅火試驗(yàn) 大型水上飛機(jī)的重要應(yīng)用就是空中降水滅火，顯然，這項(xiàng)工作并非僅僅是飛到火場(chǎng)上空灑水那么簡(jiǎn)單，只有降水點(diǎn)集中準(zhǔn)確才能保證滅火效果。這就需要在模擬試驗(yàn)中采用地面影像測(cè)量技術(shù)，獲取降水過(guò)程的影像，再根據(jù)影像測(cè)量降水的擴(kuò)散范圍和速度，不斷優(yōu)化降水滅火方式。其中，涉及到大視場(chǎng)角高分辨率投水成像技術(shù)、水跡圖像處理技術(shù)和大視角影像測(cè)量技術(shù)。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是通過(guò)對(duì)投水過(guò)程的全維監(jiān)控，精確計(jì)算分析并不斷優(yōu)化飛機(jī)降水滅火效果。endprint