水上飛機設計綜述

【摘? 要】本文簡要介紹了水上飛機的設計特點和注意事項，對于各個部件不同于一般陸基飛機的設計特點給出評述，并針對水上飛機的船體參數設計進行總結。

【關鍵詞】水上飛機;船體參數

引言

目前，我國的通用航空事業隨著國民經濟的增長和科學技術的進步而有了突飛猛進的發展。水上飛機也進入了快速發展時期。然而，水上飛機的設計與陸基飛機考慮的要點不同，船身設計更是完全不同。本文通過多篇文獻的積累和總結，歸納出水機設計的要點。

1.水機設計的特殊性和關注點

1.1機翼設計

水上飛機的機翼設計與常規飛機并無明顯特殊之處。只不過需要關注兩個方面：飛機失速速度和爬升率。前者主要影響飛機著水載荷系數，而飛機著水載荷又與船身的結構設計相關（與重量相關），根據公式可以看出失速速度越小，載荷越小：

因此翼型的升力系數和翼載的合理選擇可以使失速速度盡可能降低。最大限度的利用增升裝置也是需要的，但同時需要注意襟翼受噴濺的影響。襟翼角度不能過大。

爬升率除了需要考慮裝機推力外，主要與最大升阻比相關，因此采用大展弦比降低升致阻力。副翼通常比常規飛機大，以應對更小速度下的副翼操縱效率，主要是在水面上遇到側風的操縱能力以及轉彎能力。（考慮us-2在副翼前設置前緣縫翼）。一般為上單翼布局。（考慮噴濺效應）。

常規布局的機翼安裝角主要取決于保持機身在巡航的時候水平以減小阻力。水上飛機的機翼安裝角主要是需要在斷階劃水離水時機翼提供最大升力。

水上飛機機翼安裝角的估算公式如下：

1.2尾翼設計

為了避免噴濺打在尾翼上，一般采用T尾布局。在飛行速度之下升降舵和方向舵都應有足夠的操縱效能來應對水面操縱。水平尾翼應該能夠足夠應付發動機拉力線上移以及水面阻力據重心位置靠下帶來的較大的配平力矩變化范圍。由于重心之前的船體和浮筒的存在使得水上飛機通常航向不穩定，因此通常需要添加輔助航向的背鰭來增強航向穩定性。

1.3發動機

通常水機采用螺旋槳推進。大部分現代大型水機均采用渦槳發動機。由于大的水阻和氣動阻力，因此水機的推重比應比一般飛機大（一般運輸機在0.25左右，US-2在0.29，蛟龍如果不提重的話在0.23，提重可能更小）。主要考慮是發動機的安裝不會使槳葉打到水的噴濺。一般情況下都是盡可能將發動機位置上提。對于大中型的水機而言，反槳功能是必需的。

2.水上飛機設計的船體參數

這里只以單船身式水上飛機為例介紹一下幾個主要部件在型式參數和布局上的一些主要特點。

2.1船身

單船身式水上飛機可認為在機身下部扣上去一個船體而成（兼有翼下浮筒）。下面介紹船體的幾個主要參數的作用和確定。其主要參數見圖1。

2.2船舭寬度

船舭寬度通常系指船舭部的最大寬度，它對水上飛機的浮力、阻力和噴濺特性都有影響。一般資料介紹，它主要是由載荷系數來選定的，可由下式確定：

2.3船身高度

船身高度的選取主要考慮兩方面的因素：即保證槳尖距水面所需要的高度（對螺旋槳發動機）應使發動機處于合理的最高位置和保證船體有足夠的儲備浮力。船身高度可參照下列公式估定：

式中：—水上飛機的排水體積。

—船體總體積的豐滿細數，可取0.4～0.5。

—儲備浮力的百分數，對于>9的船身式水上飛機，取35﹪，過大的船體高度會使氣動性能變壞。

（c）? 斷階高度

水上飛機船底在滑行時為了改善流體動力特性而設置斷階。船身式水上飛機多采取雙斷階。第一斷階的作用主要是當水上飛機滑跑時，空氣能滲入斷階后的船底部，以限制浸潤船身后部底面，消除水流沖刷斷階后的船底，減少船體的流體阻力;第二斷階對于改善滑跑的縱向穩定性、減少尾部浸入水中遭遇波浪、減少滑行阻力和保證正常的縱傾姿態是必要的。應當指出，由于斷階的存在使氣動阻力增大了。

有的資料建議斷階高度近似取為0.03。可實際上有不少水上飛機的斷階高度都大于此數據。特別是大長寬比的水上飛機更是如此。NACA TN 1571推薦使用公式=（﹪）來推算斷階高度。

應當指出，第一斷階高度不夠高時，會引起流體阻力的增加，并使飛機著水時容易產生跳躍現象。

（d）? 斷階的縱向位置/

斷階的縱向位置的選擇通常要經綜合考慮后合理地選取后體長度與前體長度之比/和斷階相對飛機重心的位置這兩種情況。

（ⅰ）/的選取

合理地選取/值，應綜合考慮對穩定性、流體阻力和降落過載的影響，有的資料介紹，比較滿意的折衷方案是取/=1.25～1.30。對于大長寬比的水上飛機，使后體長度大于前體長度對提高飛機的滑水穩定性是很必要的。

（ⅱ）的選取

斷階相對重心的縱向位置，不同的資料推薦有不同的經驗公式，一般資料建議取（0.20～0.30）B，也有資料規定了從重心到斷階的連線與垂線的夾角。幾種水上飛機的值見表3。

斷階位置還與其他因素有關，如發動機的位置越高則斷階應相應地后移些。其確切位置最后由水池實驗來確定。斷階的縱向位置影響到滑行時的縱傾角，因而對阻力和（縱向和方向）穩定性都有影響。因此合理選擇此參數極為重要。

（e）斷階的平面形狀

第一斷階最廣泛地采用等高直斷階，既結構簡單，又可得到較好的流體動力性能。而第二斷階多采用尖形，它具有較小的阻力、良好的后體噴濺特性和縱向穩定性，但使航向穩定性降低。

（f）船體長寬比

船體長寬比系指船體長度與船舭最大寬度之比，即：=。早期水上飛機的都比較小，一般在5～7之間;近期發展的水上飛機多采用大長寬比船體，其中有值大于11的，長寬比對流體阻力和縱向穩定性都有影響，是一個很重要的船體外形參數。隨的增加 ，流體阻力減小，但穩定區也變小，下穩定邊界往后移。

（g）側緣角

側緣角的大小對水動阻力和著水撞擊過載影響最為顯著，所以合理選擇第一斷階處的側緣角的大小是很重要的，有資料介紹，第一斷階處的側緣角=30°的船體，其最大水動阻力可達到平底船體的水動阻力的140﹪，而著水撞擊過載只等于=7°31′的船底的撞擊過載的25﹪。因此值的選取要綜合考慮這些利弊關系，一般>30°是不利的，此時水動阻力會急劇增加，而著水撞擊過載減小量變得小了。水上飛機的統計數據表明：側緣角多取在20°～30°之間。為了得到滿意的穩定下極限，有的資料介紹，前體側緣角應在第一斷階前一段長度為1.5的范圍內保持不變，再向前其側緣角才逐步加大;當然，研究表明，并不需要保持一段側緣角為常數，只要按照一定的速率增加斷階前的側緣角，即設計成所謂的翹曲前體，就可以改進長船體的穩定性，翹曲速率是隨長寬比的增加而增加的。

（h）后緣角

后緣角對水上飛機的起飛時的姿態（縱傾角）、流體阻力、第二斷階的離水速度和最大飛行速度都有影響，大的后緣角會提高安定上限，而小的后緣角會引起后體的粘附加重，對縱向穩定性帶來不良影響。對于長船身，特別是有大的后體對前體長度比的船身，后緣角約需8°或大于8°，也有資料推薦取5°～9°。

參考文獻

[1]David B. Thurston? Amphibian aircraft design，[M] McGraw-Hill 1974

作者簡介：高亦非（1989-），男，黑龍江哈爾濱人，工程師，研究方向為飛機氣動設計。