超輕型水陸兩棲飛機巡覽

除了海事和海洋防務(wù)，水陸兩棲飛機，尤其是超輕型水陸兩棲飛機與老百姓最為親近。在私人飛機盛行和濕地資源豐富的國家和地區(qū)，超輕型水陸兩棲飛機由于其成本低廉、使用方便以及充滿奇特美感的外形普遍受到人們歡迎。超輕型水陸兩棲飛機的基本設(shè)計原理與大型水陸兩棲飛機并無過多差別，但是由于其“超輕型”的特質(zhì)，從而具備很多特殊的設(shè)計特點，這也將是本文要重點介紹的內(nèi)容。

很多國家為了鼓勵通用航空的自由發(fā)展，對私人或私營企業(yè)制造的小型飛機都不再要求通過嚴苛且代價巨大的專業(yè)適航審定，而是頒布了各種特殊適航許可(special airworthiness certificates)或設(shè)計標準，尤其對起飛重量僅幾百千克的超輕型飛機更是給予了政策上相當大的寬容。超輕型水陸兩棲飛機的船身和浮筒需要滿足水面航行和起降時應(yīng)有的水密性、抗沖擊性、穩(wěn)定性等要求，但由于飛機重量所限，上述許可和標準往往還會有針對性的進一步放寬。

各國一般對超輕型飛機定義為單發(fā)、乘員總數(shù)在3個以內(nèi)，但在重量界定上不盡相同，在失速速度限定上也有所區(qū)別：歐洲航空安全局(EASA)頒布的“甚輕型”(very light)飛機適航條例要求起飛重量在750千克以內(nèi)；美國聯(lián)邦航空條例(FAR)定義的輕型運動飛機(LSA)要求起飛重量在600千克以內(nèi)，而水陸兩棲飛機可放寬至650千克，這一數(shù)值也成為很多型號的設(shè)計最大起飛重量；澳大利亞民用航空條例對自制飛機的起飛重量規(guī)定不得超過544千克，同樣對水陸兩棲飛機放寬至614千克。上述條例都規(guī)定飛機失速速度必須低于45節(jié)(83千米/小時)。超輕型飛機最著名的設(shè)計標準是加拿大交通部頒布的DS-10141E，它對水陸兩棲飛機起飛重量和失速速度的上限定為560千克和39節(jié)(72千米/小時)，我國民航總局也參考它制定了有關(guān)超輕型飛機適航審定的咨詢通告。上述條例規(guī)范中對超輕型飛機起飛重量和失速速度的限制導(dǎo)致設(shè)計出來的飛機必須具有較好的低速巡航和停車滑翔性能，事實上通過飛機總體設(shè)計參數(shù)的限定無形中降低了飛機駕駛的難度也提高了超輕型飛機的飛行安全性。

最極端的條例是美國聯(lián)邦航空條例FAR-103部規(guī)定的超輕型飛行器(ultra vehicles)空重上限，即著名的空重115千克標準。此外該條例還規(guī)定燃油量不得超過5加侖，失速速度不高于24節(jié)(44千米/小時)。事實上，如果僅僅制造一架簡易的單人超輕型飛機，這一標準還是容易滿足的，但是性能也僅僅能達到“飛著玩”的水平。然而，即便是單座的超輕型水上或水陸兩棲飛機，空重也難以控制在115千克以內(nèi)，因此緊接著又頒布了AC-103-7號咨詢通告，允許主浮筒、船身和翼尖平衡浮筒額外增重23千克，同時還允許飛機配備額外的救生傘。美國航空愛好者鮑比?巴利按照上述重量標準制造了一架超輕型水上飛機，用他妻子的名字命名為“康妮”(Connie)?！翱的荨痹谠O(shè)計上雖然采用的是高性能的船身+翼尖平衡浮筒布局，但是簡易到了極致——根本沒有座艙的概念，駕駛員騎在船身上，完全暴露在迎面來流中，而船身還沒有一般輕型雙浮筒式水上飛機的主浮筒大。不過，“康妮”的梯形機翼采用了帶前緣閉室的抗扭結(jié)構(gòu)，平尾還是全動平尾，這在一般超輕型飛機中還是顯得很“前衛(wèi)”的。

與“康妮”類似的還有美國戴爾?克萊默設(shè)計的“拉塞爾”(Lazair)水上飛機，其機翼機身采用了硬鋁合金骨架，而尾翼則是非常規(guī)的倒V形尾翼。“康妮”和“拉塞爾”并不能被稱為真正意義上的水陸兩棲飛機，因為它們必須在飛行任務(wù)開始前決定是否拆除起落架，因此只能算是水陸“兩用”飛機，而不能在一次飛行中實現(xiàn)在水陸之間的起降切換。

由于近十年來大功率無刷電動機、調(diào)速裝置以及鋰聚合物電池在航空模型領(lǐng)域快速普及，它們也初步進入了輕型載人飛行器領(lǐng)域?！袄麪枴痹炔捎脙膳_小型二沖程汽油機作為動力，而在2011年利用上述成品航模器材被改裝成了電動飛機。當然，即使電力系統(tǒng)的防水措施再好，電動水上飛機的電路安全性仍然值得商榷。

從浮力構(gòu)件的配置來分類，水上飛機主要被分為四大布局：單主浮筒+翼尖平衡浮筒，雙主浮筒，船身+翼尖平衡浮筒，船身+水鰭。二戰(zhàn)時，很多巡洋艦和戰(zhàn)列艦自帶的水上偵查機采用的就是第一種布局。上文提到的“康妮”和“拉塞爾”也可近似看做這種設(shè)計。顯然，單主浮筒的幾何寬度難以提供足夠的起落架跨距，其結(jié)構(gòu)布置也難以安排起落架支柱、收放機構(gòu)和相應(yīng)的艙室，因此種布局難以開發(fā)成水陸兩棲飛機，不過也有少量例外。

雙主浮筒的布局主要用于將現(xiàn)成的陸基飛機直接改裝成水上飛機，當作為水陸兩棲飛機使用時必須另設(shè)復(fù)雜的機輪收放機構(gòu)。在水面上滑行時，這種主浮筒的前輪可以升起與水面脫離接觸，而主輪至少應(yīng)半埋于斷階之后的輪艙中，其設(shè)計難點在于收放機構(gòu)作動的同時保證浮筒各艙室的水密，而且浮筒結(jié)構(gòu)能承受陸地起降時的沖擊載荷。機輪的收放機構(gòu)一般通過氣動元件或伺服電機驅(qū)動。

當然對于結(jié)構(gòu)簡易的設(shè)計，這種復(fù)雜的主浮筒并不是必須的。著名的“快銀”(Quicksilver-MX)便采用純粹且簡單的主浮筒，而駕駛員可以方便的手動收放和鎖定起落架，這完全得益于機身浮筒組件的緊湊安裝。不過可以預(yù)料這種取巧的設(shè)計也將付出一定代價：水面起降稍有不慎就將造成乘員被濺一褲子水。

無論是采用一個還是兩個主浮筒，在飛行中無疑都將招致極其可觀的空氣阻力，而主浮筒本身又是無任何有效裝載的死重，因此專門設(shè)計的水陸兩棲飛機都傾向于采用船身式布局，這也是本文重點討論的布局。當船身漂浮于水上時，從剖面方向看，具有三個重要的特征點，分別為：重心、浮心、橫穩(wěn)心。前兩者分別為重力和浮力的作用點，而橫穩(wěn)心可理解為船身在水面橫向傾斜搖擺時的旋轉(zhuǎn)中心。

從直觀經(jīng)驗判斷，如果希望船身在水面穩(wěn)定漂浮而不側(cè)翻必定重心不能太高，這也就是為什么船舶往往在船底布置有壓艙水甚至配重，而對于水陸兩棲飛機的設(shè)計這顯然是不現(xiàn)實的。從船舶理論來分析，如果船身需要穩(wěn)定漂浮，并非重心一定要低于浮心，但卻必須低于橫穩(wěn)心。船身越肥胖則橫穩(wěn)心越高，穩(wěn)定性越好，但是這與飛機減阻顯然是矛盾的；而水陸兩棲飛機的商載和油箱都位于較高的位置，發(fā)動機更是“高高在上”，如果不采用額外的浮力構(gòu)件，根本不可能滿足重心低于橫穩(wěn)心的要求，因此水陸兩棲飛機單憑船身想要穩(wěn)定漂浮是不可能的。

船身式布局的水陸兩棲飛機一般使用翼尖平衡浮筒來提供在水面傾斜漂浮時的扶正力矩。我國航空愛好者吳征自己設(shè)計制造的“軍艦鳥”超輕型水陸兩棲飛機便屬于這種船身+翼尖平衡浮筒布局。“軍艦鳥”自2003年首飛成功以來，經(jīng)過多次改進已經(jīng)成功飛行近百個起落，雖然完全是私人自己研發(fā)的作品，但是確實在我國水上飛機和水陸兩棲飛機發(fā)展歷程中具有不小的開創(chuàng)性意義。

“軍艦鳥”采用的是縱列雙座式座椅配置，船身瘦長，其目的是為了在發(fā)動機功率有限的條件下盡量減小船身的迎面阻力，同時第二個乘員座椅位于飛機設(shè)計重心處，單人或雙人飛行都對飛機重心前后位置影響很小。采用縱列式座艙布局的還有意大利的“巴甘菲比奧”(Baganfibio)、挪威的“奧姆希德”(Omsider)和法國的“遄塞特”(Transat)-MD3等機型。

其實對于雙座級別的超輕型飛機，在座艙布局是縱列式好還是并列式好的問題上一直有爭論。并列式座艙布局的主要優(yōu)點是可以雙人共用一套儀表，駕駛員和乘客的前向視野都很好，但寬機身也會使全機氣動阻力增加，同樣性能下發(fā)動機的需用功率相對高出約15%-20%。并列式座艙的超輕型飛機在單人飛行時往往需要在空座上安裝配重以調(diào)整重心。巴西麥考利夫(Microleve)公司生產(chǎn)的“柯塞里奧”(Corsario)，采用了視野良好的并列式座艙，它具有全封閉式和只帶前風擋玻璃的半開敞式兩種座艙形式可供選擇，但在單人飛行時由于全機重心后移，不得已必須在乘客的右側(cè)座椅上安裝沙袋進行重心位置的補償。

如前文所述的原理，并列式座艙布局的超輕型水陸兩棲飛機船身較寬所帶來的優(yōu)點是橫穩(wěn)心較高，漂浮穩(wěn)定性好，因此只需要較小體積的翼尖平衡浮筒就能滿足扶正力矩的要求，這對減小全機氣動阻力有些好處。此外寬機身在起飛滑水時還可以提供較大的水動升力，對降低起飛離水速度和提高滑行穩(wěn)定性都是有利的，這一優(yōu)點是縱列式座艙布局的瘦長船身所不具備的。為了改善瘦長船身的滑水特性，縱列雙座的“奧姆希德”(Omsider)采用了一舉兩得的舯部浮體設(shè)計以局部加寬機身，同時作為主起落架艙；而“巴甘菲比奧”(Baganfibio)也是縱列雙座，它采用了更極端的水鰭設(shè)計，徹底取消了翼尖平衡浮筒，而且水鰭在飛行時也能提供一定的升力。

必須補充說明一下，在水上飛機和水陸兩棲飛機的發(fā)展歷程中，德國的道尼爾公司以慣用水鰭而著稱。這一風格貫穿于道尼爾公司大大小小的設(shè)計作品中。在這些設(shè)計中，水鰭同時作為浮體、升力面、起落架艙、油箱甚至作為機翼的支撐結(jié)構(gòu)，飛機在水面?？科r水鰭又是一個良好的臨時工作臺或登機梯，可以說這一設(shè)計概念被道尼爾公司發(fā)揮到了極致。

船身式水陸兩棲飛機的船身外形設(shè)計決定了它滑水時所獲得水動升力的大小，尤其在進入較高速度的“斷階滑水”狀態(tài)時，水動升力承擔了絕大部分的飛機重量。船身外形還關(guān)系到滑水穩(wěn)定性和噴濺特性，這對于干舷高度和動力系統(tǒng)高度都較低的小尺寸超輕型水陸兩棲飛機來說尤其重要。

船身底部呈現(xiàn)出的弧面在滑行時會產(chǎn)生巨大的吸力，使飛機難以離水，因此必須在船身上安排斷階使得水流分離或摻混空氣以破壞這種不利的吸力，但是斷階的位置對船身的滑行穩(wěn)定性具有舉足輕重的影響。一般說來，斷階應(yīng)當在飛機重心后方一段距離使得飛機在滑水時以略微抬頭的姿態(tài)“坐”在斷階之前的船底面上，否則滑行時會出現(xiàn)不穩(wěn)定的“海豚運動”——繞俯仰軸起伏顛簸難以正常起飛。但是斷階在重心之后的這段距離并不是固定在某一值的，根據(jù)不同的船體寬度、尾段抬升角等幾何形狀斷階前后位置會有不同的選擇。

斷階造成了船底曲面的突變，其高度約為船身寬度的3%～7%。斷階高度越大將使得船身的離水性能越好，但是船底順氣流方向的曲面的連續(xù)性也被它破壞，造成了飛行時空氣阻力的顯著增加。大多數(shù)超輕型水陸兩棲飛機都采用制造工藝最方便的簡單式斷階，在船身舯部呈現(xiàn)出垂直機身軸線“橫向一刀切”的形狀，這種形狀的斷階造成的空氣阻力最大。平面形狀為楔形的斷階設(shè)計也被廣泛采用，這種斷階造成的空氣阻力略小些，其最大優(yōu)勢在于允許飛機重心有較大的縱向變化范圍同時能夠使得起飛離水更加柔和。ATOL-500和海燕(Petrel)采用的斷階更有特點，其斷階的絕大部分高度變化量都是沿船身軸線方向過渡漸變的，更類似一個斜坡，這種斷階使船底的曲面突變程度顯著降低，對柔和起飛離水和減小空氣阻力也有利。值得一提的是，我國的“軍艦鳥”采用的是平面形狀為楔形的斜坡型斷階，兼具以上兩種較好斷階設(shè)計的優(yōu)勢，在水動力學設(shè)計上還是比較考究的。

合理的斷階設(shè)計使得船身能夠穩(wěn)定滑行，但這只是船身設(shè)計的必要條件。

由于超輕型水陸兩棲飛機的尺寸很小，螺旋槳距離水面往往很近，很多設(shè)計又采用了半開敞座艙，為了避免在風浪中滑水起飛和“暴力”著水降落時激起的水花進入座艙或侵蝕螺旋槳，必須采取一些防濺措施。

為減小水上航行阻力，船身底部橫斷面亦呈現(xiàn)楔形并一直延伸至船艏，其中心尖劈處的縱向脊線稱之為龍骨，兩側(cè)邊緣稱之為船舭。航行時，龍骨“劈波斬浪”，水花沿著船底從船舭向后上方飛濺。為了抑制這種飛濺，可在船舭處設(shè)計出向下反彎的防濺條(又稱為舭彎)。防濺條不但壓住了水花，還像墻一樣擋住了水動升力從船舭“泄漏”，在航行速度不同的各個階段都發(fā)揮了有利影響。

多數(shù)單發(fā)超輕型飛機都選擇在翼根中線處高置安裝推進式發(fā)動機和螺旋槳，這種設(shè)計滿足了發(fā)動機距離水面高度的需要，同時使得發(fā)動機架的結(jié)構(gòu)緊湊，機身前段也能設(shè)計得更加流線，座艙內(nèi)震動較小且視野良好。這種布局的唯一缺點是在非設(shè)計狀態(tài)時位置靠后的螺旋槳可能被水花嚴重侵蝕。為了進一步保護螺旋槳，除了在其前緣包覆金屬層，還可以單獨設(shè)計出擋水的翼面。對于雙翼機，一般下翼在上翼之后，這種 “得天獨厚”的優(yōu)勢使得下翼很自然的擋住了沖擊螺旋槳的水花。對于類似“美人魚”-M6采用的中單翼、背負式發(fā)動機和小直徑螺旋槳的設(shè)計，螺旋槳槳盤全部位于機翼后緣上方的“干燥”區(qū)域也是解決這一問題的有效方案；但是中單翼難以采用超輕型飛機慣用的桁架式斜拉桿，只能設(shè)計成類似高性能飛機的懸臂式機翼結(jié)構(gòu)，這將會付出較大的結(jié)構(gòu)重量代價。

翼根后緣安裝推進式發(fā)動機在結(jié)構(gòu)和氣動上都帶來了收益，但往往使得飛機“頭輕”，重心偏后，這在配載安排上需要予以平衡。上文提到，并列雙座的飛機在單人飛行時往往需要在閑置的座椅上安放等效配重；“埃爾坎”將用于設(shè)備供電和發(fā)動機啟動的機載蓄電池放置在儀表板之前的機頭設(shè)備艙內(nèi)以調(diào)整重心；而“阿文圖拉”-2更是在機頭設(shè)置了一個行李艙和相應(yīng)的巨大口蓋。

有些超輕型水陸兩棲飛機沿用了大型水上飛機的水舵設(shè)計，用于水面低速航行階段時的航向控制。水舵浸沒在水線下，是面積遠遠小于方向舵的全動舵面，其位置一般在機身后半段的輔助斷階或尾柱下方；有些后三點起落架的設(shè)計甚至將水舵結(jié)合在可轉(zhuǎn)向的尾輪結(jié)構(gòu)上。水舵使得水上航行的轉(zhuǎn)彎機動性大增，但也造成飛機地面起降時的擦尾角或地面安全間距明顯變小，抬頭姿態(tài)略微偏大或者起落架著陸變形較大時便會造成水舵觸地損壞，因此不少超輕型水陸兩棲飛機的水舵設(shè)計成可收放的形式。

不過，關(guān)于超輕型水陸兩棲飛機是否真的有必要保留水舵的設(shè)計也沒有最終的結(jié)論，因為方向舵在水面航行時一般浸沒在螺旋槳強勁的滑流里，可以提供足夠的操縱力矩使得尺寸嬌小的船身完成小半徑的水面轉(zhuǎn)彎。因此很多成功的超輕型水陸兩棲飛機并沒有采用水舵，這也使得水線下的船體呈現(xiàn)出較為“干凈”的外形，避免了淺水區(qū)水草或水下其他雜物對水舵的纏繞。

為滿足很多航空愛好者自行組裝與改裝的需求，同時避免冗繁的型號合格審定，現(xiàn)在很多廠商開發(fā)的超輕型飛機都以套材的形式出售，超輕型水陸兩棲飛機當然也涵蓋其中。美國試驗飛機協(xié)會(EAA)便頒布著名的“親自完成51%工作量”規(guī)則，按此規(guī)則組裝的套材飛機便可注冊為試驗類輕型運動飛機，當然這種業(yè)余制造的飛機只能用于私人飛行，不能用于商業(yè)和飛行訓(xùn)練。

由于超輕型水陸兩棲飛機的制造工藝肯定高于同類陸基飛機，制造商對船身、浮筒這種硬殼類水密浮力構(gòu)件往往采取復(fù)合材料成品組件出售，機身骨架往往采用硬鋁合金管材螺栓連接而不采用合金鋼焊接結(jié)構(gòu)，避免私人制造裝配時由于經(jīng)驗不足出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全隱患。例如：“超級海燕”套材，其船身、浮筒和機翼主梁等關(guān)鍵部件普遍采用碳纖維材質(zhì)，模具成型；“阿文圖拉”-2套材，其船身和翼尖平衡浮筒都采用傳統(tǒng)的玻璃鋼工藝，機翼蒙皮采用滌綸帆布也由廠家預(yù)先縫制好，除了起落架支柱采用鍍鎳的4130鉻鉬合金鋼外，所有機身、機翼骨架和發(fā)動機架都是淬火時效處理的2024硬鋁合金或7075超硬鋁合金管材或角材通過航空螺栓連接，無需任何焊接工藝和特殊的工裝夾具，其所有鋁合金結(jié)構(gòu)件也在廠家進行了高質(zhì)量的陽極化防銹處理。

作為一直堅持發(fā)展水陸兩棲飛機的俄羅斯，其別里耶夫系列的各種大中型水陸兩棲飛機馳名全球，而用于個人飛行的超輕型水陸兩棲飛機也有不少設(shè)計作品，最有名的算是切諾夫設(shè)計的切-22以及后續(xù)發(fā)展的切-25/27，不但在俄羅斯和烏克蘭使用還以套材的形式遠銷越南、南非和希臘。切-22雖然是類似大型飛機的雙發(fā)設(shè)計，發(fā)動機為兩臺Rotax-503(50hp)或Rotax-582(64hp)，但起飛重量仍在650千克以內(nèi)，符合美國的輕型運動飛機(LSA)的定義。它一般作為高性能的雙座飛機使用，但實際上座艙內(nèi)部能容納四人，發(fā)動機的功率也勉強能滿足四人乘坐。切-22的機翼采用的也是傳統(tǒng)超輕型飛機使用的鋁合金骨架+織物蒙皮，機身蒙皮采用的是“三明治”式的泡沫夾心玻璃鋼結(jié)構(gòu)。切-22最具特點的是其封閉式翼尖和帶輔助平衡浮筒的端板：當飛機靜止停泊于水面上，翼尖著水，帶輔助平衡浮筒的端板亦插入水中產(chǎn)生浮力，提供扶正力矩；航行速度增大過程中，端板就像水翼艇的水翼一樣產(chǎn)生水動升力使翼尖升出水面，此時端板末端的輔助平衡浮筒就能夠提供足夠的扶正力矩，使飛機從翼尖觸水的傾斜狀態(tài)改出。封閉式翼尖和端板還能夠起到類似翼梢小翼的作用，阻擋了翼尖渦的生成，減小了機翼的誘導(dǎo)阻力。

超輕型水陸兩棲飛機成本低廉，使用機動靈活，結(jié)構(gòu)雖較同級別陸基飛機復(fù)雜但在制造維護上難度并不算太高。目前，超輕型水陸兩棲飛機在方興未艾的通用航空中雖然談不上絕對主力，但顯然是獨樹一幟長盛不衰的一個亮點。它在技術(shù)和用途上的優(yōu)勢以及獨特鮮明的航空美感一直吸引著國內(nèi)外眾多航空愛好者與通航企業(yè)，相信在通用航空蓄勢待發(fā)且濕地資源豐富的中國能有一番作為。當然，不僅僅是幾百千克的超輕型級別，我們更期待著有更多的大大小小的水陸兩棲飛機靈動于中國的水天之界。