是飛機又不是飛機——大型水上飛機的關(guān)鍵技術(shù)

賀杰

水上飛機兼具船舶和飛機的特性，要十分注意兼顧水動和氣動性能，研制難度較普通船舶和飛機難得多。毫不夸張地說，設(shè)計建造一款大型水上飛機需要舉全國之力協(xié)同攻關(guān)，體現(xiàn)的是一國航空工業(yè)的整體水平。大型水上飛機的關(guān)鍵技術(shù)對國家相關(guān)產(chǎn)業(yè)和國民經(jīng)濟發(fā)展具有十分重要的輻射效應(yīng)，價值突出。

六大技術(shù)挑戰(zhàn)

除常規(guī)飛機和艦船必需的關(guān)鍵技術(shù)外，大型水上飛機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-水混合動力布局、高抗浪性、防腐蝕、密封性、精確對接裝配5個方面，由此面臨6大技術(shù)挑戰(zhàn)。

氣-水動布局 大型水上飛機在達到常規(guī)飛機的氣動布局要求的同時，還要特別注意飛機在水面起降過程中滑行、離水與接水瞬間的水動力特性要求，涉及氣-水交接區(qū)域氣-水耦合特性理論。簡單來說，就是在臨近水面的這一水氣混合區(qū)域，空氣濕度較大，飛機所遇到的阻力兼含水動阻力和空氣阻力特性，隨著機身不斷高速貼近（遠離）水面，這一混合阻力大致呈現(xiàn)一個拋物線的變化過程，直至完全接觸（脫離）水面后全部轉(zhuǎn)化為水動（空氣）阻力。那么，研制大型水上飛機就必須精準計算這一過程中機體所受阻力的變化，以保證所受阻力最小，對飛行滑行影響最小。AG600在研制過程中，僅氣-水動布局設(shè)計上就進行了上萬次試驗。

高抗浪船體設(shè)計 抗浪指標(biāo)是大型水上飛機的核心指標(biāo)之一，它直接決定了水機的可用性，如果抗浪指標(biāo)不理想，那么水機很可能在大多數(shù)場景下都無法有效發(fā)揮作用。抗浪性能主要源于對機身下半部的船體設(shè)計，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，涉及靜動態(tài)水動力特性理論和數(shù)字仿真技術(shù)，以在建模階段實現(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)有水動力模型水池試驗等環(huán)節(jié)。

防腐蝕與水密性設(shè)計 考慮到高鹽高濕的工作環(huán)境，水上飛機設(shè)計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，對零部件組裝工藝特別是精細度要求非常高。在水密性方面，一般采用“三步曲”確保機體密封性：一是使用緊固件（螺母、螺帽等標(biāo)準件）濕安裝方法，即在緊固件桿與機身結(jié)構(gòu)孔壁貼合的整個表面涂抹密封劑，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身之間的縫隙。二是在整個機身裝配完成后，對機身結(jié)構(gòu)的鉚接質(zhì)量和密封質(zhì)量，以及蒙皮對縫的密封質(zhì)量進行氣密性檢驗。三是向機體進行高壓噴水，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題，從而模擬飛機在水面停放或滑行時，靜水壓下的機體密封情況。在AG600研制過程中，陜飛結(jié)合了以往研制運八、運九等機型的經(jīng)驗，攻克了復(fù)雜船體結(jié)構(gòu)裝配工藝，大型機身蒙皮多層化銑等技術(shù)難關(guān)，實現(xiàn)了良好的大機體密封性能。

起落架布局與收放系統(tǒng)安全性 由于對密封性和水動性能的特殊要求，大型水上飛機的主起落架不能像同體量的大型運輸機一樣置于機身底部，只能收于機身兩側(cè)，造成收放結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對空氣動力性能造成一定影響，因此需要對氣動外形、全機重心分配、適航主輪距和收放運動機構(gòu)等方面進行重新優(yōu)化，在保證著陸的穩(wěn)定性與安全性的同時，減小其對飛行和水面滑行的影響。一般采取仿真建模方式，對不同起落架布局進行模擬，結(jié)合全機氣水動阻力計算和試驗，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，確定起落架收放機構(gòu)形式、收放路徑和方式，同時形成可接受的起落架整流罩位置和外形。

整體機翼壁板噴丸成型技術(shù) 開孔多、接縫多，密封隱患自然就多，因此現(xiàn)代大型水上飛機大量采用整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中又以飛機主承力結(jié)構(gòu)和承載油料的機翼為重點。為在提高機翼強度的同時兼顧密封性，目前主流設(shè)計是在翼肋處采用薄壁加筋結(jié)構(gòu)，類似于房屋裝修時為吊頂板打上龍骨，既保證了整體結(jié)構(gòu)又確保了強度。由于水上飛機機翼載荷較小，如果機翼壁板偏薄，那么穩(wěn)定性就會受到影響，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)，進一步加大了壁板的噴丸成型難度。西飛在建造AG600中段機身時，就突破了機翼薄壁高筋壁板噴丸強化與成型技術(shù)難關(guān)，從而高質(zhì)量保證了翼身對接、起落架的安裝協(xié)調(diào)。

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

獨具特色的功能系統(tǒng)endprint

現(xiàn)代飛機均采用模塊化設(shè)計，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的任務(wù)定位，除常規(guī)飛機必備的子系統(tǒng)外，一般來說，大型水上飛機還有具有自身特點的子系統(tǒng)，主要包括特殊的動力系統(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)）。

動力系統(tǒng) 由于水上飛機大多數(shù)時候都在水上作業(yè)，發(fā)動機極易進水，輕者加快零部件腐蝕程度，重者造成發(fā)動機損壞。因此，水上飛機的動力系統(tǒng)均需額外安裝防腐蝕裝置，一般采用高壓空氣噴射方式，對發(fā)動機適時進行沖洗和清潔。

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。一方面，電子元器件對環(huán)境比較敏感，這就要求航電系統(tǒng)采用更強的耐腐蝕材料和涂層技術(shù)。另一方面，水上飛機特殊的機體結(jié)構(gòu)給機載天線布局和安裝帶來諸多不便，為了采取最優(yōu)設(shè)計，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)計論證階段通過建模仿真進行精確計算。

水上搜救系統(tǒng) 水上搜救是大型水上飛機的優(yōu)勢。與救援直升機等航空救援裝備不同的是，水上飛機的搜救系統(tǒng)具有獨特的低空搜索和著水救援方式。低空搜索指水上飛機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)包括無線電搜索設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測設(shè)備等；著水救援指在海況、天氣適宜的情況下，水上飛機直接降落在水面，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水上飛機專門設(shè)計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最大可能擴大目視搜索范圍。

滅火系統(tǒng) 空中滅火是二戰(zhàn)后水上飛機承擔(dān)的主要職能使命。水上飛機的滅火系統(tǒng)通常由兩個分系統(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、燃油等信號指示，按照既定設(shè)計邏輯輸出控制指令，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，大型水上飛機在結(jié)構(gòu)和強度上有著不同于陸基飛機和船舶的要求。

機身與機尾翼結(jié)構(gòu) 目前大型水上飛機機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)會設(shè)置抑波槽與船舭，上半部分則是常規(guī)飛機座艙和通艙布局。機尾翼部分，大型水上飛機一般采用上單翼和水平尾翼布局，機翼兩側(cè)對稱安裝至少一對浮筒，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計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?？紤]到適航證獲取的問題，機尾翼部分還要驗證氣動彈性性能，包括顫振對飛行性能的影響、機翼發(fā)散分析、操縱效率計算、彈性載荷計算等，這部分主要采用風(fēng)洞試驗的方式完成。

強度要求 強度要求是指飛機各部件結(jié)構(gòu)所能承受的最大載荷，包括動強度和靜強度要求。在靜強度方面，大型水上飛機一般均參考成熟機型和船型的設(shè)計，同時保證機體構(gòu)件鍛造和鉚接質(zhì)量。在動強度方面，需要突出水上降落對機體強度的要求。此外，考慮到AG600這類大型水上飛機工作環(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提升的技術(shù)指標(biāo)，包括對疲勞與損傷容限精確評估和試驗等。

首飛不等于慶功

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

水動載荷試驗 載荷試驗是對一架飛機結(jié)構(gòu)強度的基本檢驗，水陸兩棲飛機不僅要承受陸基飛機固有的空氣動力載荷、地面載荷，還要承受水動載荷，后者是指水上飛機與水面接觸過程中受到來自水施加的力。關(guān)于水動載荷分布的精確計算和試驗，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，不同運動條件下的水動載荷統(tǒng)計、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 這是大型水上飛機的基本應(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)水上飛機的使用。日本在二戰(zhàn)后研制的第一款大型水上飛機PS-1就因為對使用環(huán)境預(yù)估不足，導(dǎo)致飛機服役后在高海況下無法使用，結(jié)果很快進行了改進，造成了大量浪費。

高精度降水滅火試驗 大型水上飛機的重要應(yīng)用就是空中降水滅火，顯然，這項工作并非僅僅是飛到火場上空灑水那么簡單，只有降水點集中準確才能保證滅火效果。這就需要在模擬試驗中采用地面影像測量技術(shù)，獲取降水過程的影像，再根據(jù)影像測量降水的擴散范圍和速度，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)和大視角影像測量技術(shù)。簡單說，就是通過對投水過程的全維監(jiān)控，精確計算分析并不斷優(yōu)化飛機降水滅火效果。endprint