水上飛機涉水與飛行特性研究

曹濤

摘要：本文從水上飛機運營環境出發，在資料和調研的基礎上，研究水上飛機涉水和飛行各階段具體劃分和特點，重點對水上飛機涉水特性和飛行特性與陸基飛機的不同之處進行研究，為后續研究這些特點對水上飛機運營環境的影響提供技術支持，增強水上飛機設計及持續安全運營能力。

關鍵詞：水上飛機；涉水特性；飛行特性；運營環境

1 概述

水上飛機是能在水面上起飛、降落和停泊的多用途通用飛機，具有低成本、起降環境適應性強、機動性好、用途廣泛等多種優勢。水上飛機相對陸基飛機而言，需要在水面起降、滑水、停泊，由于風向、風力、波高、浪速、水底條件、碼頭、水岸地理等影響，飛機運動狀態多變，受力模式相對常規陸基飛機要復雜，導致水上飛機的阻力特性變化大，飛機的縱向穩定性、操縱性都有許多與常規陸基飛機不同的特性，此外，還有諸如噴濺、耐波性等特有的特性。在水上飛機實際運營過程中，這些外界的自然條件往往不是單一作用，而是多個條件同時作用，加上各外界自然條件在飛機不同階段、不同的水域會有不同的量級，更導致水上飛機面臨的條件更加復雜多變。因此需要開展水上飛機涉水和飛行特性的研究，解決水上飛機在起降、滑行、停留等方面很多與陸基飛機不同的、影響安全運營的復雜問題。

2 水上飛機涉水特性研究

（1）水上飛機水靜特性。水上飛機水靜特性主要包括：浮性、靜穩性和抗沉性。浮性是水上飛機在水面漂浮時，船體（機身）相對于靜止水面的位置。靜穩性是水上飛機在一定范圍內離開平衡狀態做傾斜運動，當引起傾斜的外力消除后，水上飛機能恢復至初始水線位置的能力。由于水上飛機重心位置較高，而浮心較低，當飛機在水面受到干擾后，容易發生橫向傾斜，可能導致機翼入水。因此，水上飛機必須產生橫向穩定的恢復力矩，防止飛機在水面運動時機翼觸水，一般在機翼兩側設置浮筒。抗沉性是水上飛機機身、船體破損后再次降落在水面，外界水灌進破損的隔艙并自由流通的情況下，水上飛機仍保持一定浮性和穩定的能力。

（2）水上飛機水面滑行特點。水上飛機在水面運動時，由于受到浮力和水動力的作用而具有不同于陸基飛機在地面運動的特點。隨著水上飛機速度的提高，飛機吃水越來越小，浮力也逐漸減小，而飛機在水面受到的水動力則是先增大后減小；氣動力隨速度增大逐漸增大。根據水上飛機水面運動特點，可把水上飛機起飛的整個速度范圍劃分為四個階段：航行階段、過渡階段、滑行階段和起飛階段。

①航行階段。主要是以小于阻力峰速度在水面滑行，此階段飛機的重量幾乎是由靜浮力支撐，其在水面滑行與一般排水型船舶相似。

②過渡滑行。速度在40～75%離水速度之間，此階段飛機在水面的滑行性能與快艇類似，由于速度的提高，船體水下滑行面能產生很大的流體動升力，并且飛機的活動舵面在此階段開始起作用。

③速滑階段（斷階滑行）。一般在75～85%離水速度之間，此階段飛機后體離水，斷階吃水深度明顯減小，飛機的可操縱性很強。

④起飛階段。飛機在此階段飛機調整好離水姿態，達到離水速度便可離水起飛。

（3）水上飛機水動性能。水上飛機水動性能分為以下六個方面：快速性、縱向穩定性、噴濺特性、抗浪性、操縱性和水載荷。

①快速性。快速性是指飛機在水面起飛的加速能力，也稱為水阻力性能。

②縱向穩定性。水上飛機縱向運動穩定性主要是指水上飛機在水面做中高速航行和滑行過程中受到干擾出現不穩定運動后能恢復到穩定運動狀態的能力。

③噴濺特性。水上飛機在水面滑跑過程中，由船體局部區域向外噴出一系列水花，稱之為噴濺。噴濺可分為兩類：一類是須狀噴濺，一般須狀噴濺很輕，很少會影響飛機的正常使用；另一類是膜狀噴濺，又稱主噴濺，該類噴濺水量較大、速度較高、對飛機的危害較大，是水上飛機噴濺特性的主要研究對象。

④抗浪性。抗浪性也稱為耐波性，在波浪上運動的水上飛機，由于受到波浪的擾動，飛機在波浪上發生六自由度的運動，分別為橫搖、縱搖、艏搖和縱蕩、橫蕩和垂蕩。水上飛機抗浪能力越高，飛機的出勤率也就越高。這也是衡量水上飛機性能好壞的最重要指標之一。

⑤操縱性。主要是指飛機在水面滑行時能保持或改變航向、航速和位置的能力，包括航向穩定性和回轉運動性能。

⑥水載荷。水上飛機在水面起飛降落過程中，承受了復雜的水動載荷，如著水撞擊載荷和水面滑行載荷。

3 水上飛機飛行特性研究

一般來說，當水上飛機升空以后，跟普通的陸上飛機的飛行特性沒有差異。不過因為浮筒、支柱以及相關部件在飛行中所造成的阻力，水上飛機無論是爬升或是巡航的速度，都會比陸基同等級飛機要慢。

3.1 起飛階段

水上飛機的起飛過程實質上是水動力逐漸減小、氣動力逐漸增大的過程。在起飛前，水上飛機通常在地面做好一切檢修工作，然后起動發動機滑行入水。入水后，飛行員操縱飛機對準航向，然后進行起飛滑跑。此時，水上飛機的重力由船身（或浮筒）底部的水動力升力和機翼的升力共同平衡。當速度和升力增大時，機身抬起，只用機身后段著水，這樣飛機就能以最小的摩擦力滑過水面。而當速度增大到使水上飛機的重力全部由氣動升力平衡時，水上飛機即離開水面起飛。

3.2 降落階段

水上飛機的降落過程類似于陸基飛機，即轉入降落航向，降低高度，收油門減速，放下襟翼、副翼，直至入水降落。由于水上飛機的飛行速度比陸基飛機小，再加上水阻力比空氣阻力大得多，所以現在水上飛機無需設置阻力板和加裝阻力傘，便可在較短的距離內停下來。

4 結語

本文從水上飛機的特點出發，對水上飛機與陸基飛機不同的水靜特性、水面滑行特性、水動性能、起飛和降落階段進行了研究與分析對比，為水上飛機運營環境對水上飛機涉水和飛行特性的影響研究提供技術支持，保證持續增強水上飛機設計及持續安全運營能力，增強水上飛機運營環境的適應能力。

參考文獻：

[1]褚林塘.水上飛機水動力設計[M].北京：航空工業出版社，2014.

[2]李洪疇.談談水上飛機的設計特點[M].北京：航空工業出版社，2011.

[3]唐彬彬，張家旭，等.水陸兩棲飛機模型噴濺峰點分析方法研究[J].航空計算技術，2015.