水上飞机涉水与飞行特性研究

曹涛

摘要：本文从水上飞机运营环境出发，在资料和调研的基础上，研究水上飞机涉水和飞行各阶段具体划分和特点，重点对水上飞机涉水特性和飞行特性与陆基飞机的不同之处进行研究，为后续研究这些特点对水上飞机运营环境的影响提供技术支持，增强水上飞机设计及持续安全运营能力。

关键词：水上飞机；涉水特性；飞行特性；运营环境

1 概述

水上飞机是能在水面上起飞、降落和停泊的多用途通用飞机，具有低成本、起降环境适应性强、机动性好、用途广泛等多种优势。水上飞机相对陆基飞机而言，需要在水面起降、滑水、停泊，由于风向、风力、波高、浪速、水底条件、码头、水岸地理等影响，飞机运动状态多变，受力模式相对常规陆基飞机要复杂，导致水上飞机的阻力特性变化大，飞机的纵向稳定性、操纵性都有许多与常规陆基飞机不同的特性，此外，还有诸如喷溅、耐波性等特有的特性。在水上飞机实际运营过程中，这些外界的自然条件往往不是单一作用，而是多个条件同时作用，加上各外界自然条件在飞机不同阶段、不同的水域会有不同的量级，更导致水上飞机面临的条件更加复杂多变。因此需要开展水上飞机涉水和飞行特性的研究，解决水上飞机在起降、滑行、停留等方面很多与陆基飞机不同的、影响安全运营的复杂问题。

2 水上飞机涉水特性研究

（1）水上飞机水静特性。水上飞机水静特性主要包括：浮性、静稳性和抗沉性。浮性是水上飞机在水面漂浮时，船体（机身）相对于静止水面的位置。静稳性是水上飞机在一定范围内离开平衡状态做倾斜运动，当引起倾斜的外力消除后，水上飞机能恢复至初始水线位置的能力。由于水上飞机重心位置较高，而浮心较低，当飞机在水面受到干扰后，容易发生横向倾斜，可能导致机翼入水。因此，水上飞机必须产生横向稳定的恢复力矩，防止飞机在水面运动时机翼触水，一般在机翼两侧设置浮筒。抗沉性是水上飞机机身、船体破损后再次降落在水面，外界水灌进破损的隔舱并自由流通的情况下，水上飞机仍保持一定浮性和稳定的能力。

（2）水上飞机水面滑行特点。水上飞机在水面运动时，由于受到浮力和水动力的作用而具有不同于陆基飞机在地面运动的特点。随着水上飞机速度的提高，飞机吃水越来越小，浮力也逐渐减小，而飞机在水面受到的水动力则是先增大后减小；气动力随速度增大逐渐增大。根据水上飞机水面运动特点，可把水上飞机起飞的整个速度范围划分为四个阶段：航行阶段、过渡阶段、滑行阶段和起飞阶段。

①航行阶段。主要是以小于阻力峰速度在水面滑行，此阶段飞机的重量几乎是由静浮力支撑，其在水面滑行与一般排水型船舶相似。

②过渡滑行。速度在40～75%离水速度之间，此阶段飞机在水面的滑行性能与快艇类似，由于速度的提高，船体水下滑行面能产生很大的流体动升力，并且飞机的活动舵面在此阶段开始起作用。

③速滑阶段（断阶滑行）。一般在75～85%离水速度之间，此阶段飞机后体离水，断阶吃水深度明显减小，飞机的可操纵性很强。

④起飞阶段。飞机在此阶段飞机调整好离水姿态，达到离水速度便可离水起飞。

（3）水上飞机水动性能。水上飞机水动性能分为以下六个方面：快速性、纵向稳定性、喷溅特性、抗浪性、操纵性和水载荷。

①快速性。快速性是指飞机在水面起飞的加速能力，也称为水阻力性能。

②纵向稳定性。水上飞机纵向运动稳定性主要是指水上飞机在水面做中高速航行和滑行过程中受到干扰出现不稳定运动后能恢复到稳定运动状态的能力。

③喷溅特性。水上飞机在水面滑跑过程中，由船体局部区域向外喷出一系列水花，称之为喷溅。喷溅可分为两类：一类是须状喷溅，一般须状喷溅很轻，很少会影响飞机的正常使用；另一类是膜状喷溅，又称主喷溅，该类喷溅水量较大、速度较高、对飞机的危害较大，是水上飞机喷溅特性的主要研究对象。

④抗浪性。抗浪性也称为耐波性，在波浪上运动的水上飞机，由于受到波浪的扰动，飞机在波浪上发生六自由度的运动，分别为横摇、纵摇、艏摇和纵荡、横荡和垂荡。水上飞机抗浪能力越高，飞机的出勤率也就越高。这也是衡量水上飞机性能好坏的最重要指标之一。

⑤操纵性。主要是指飞机在水面滑行时能保持或改变航向、航速和位置的能力，包括航向稳定性和回转运动性能。

⑥水载荷。水上飞机在水面起飞降落过程中，承受了复杂的水动载荷，如着水撞击载荷和水面滑行载荷。

3 水上飞机飞行特性研究

一般来说，当水上飞机升空以后，跟普通的陆上飞机的飞行特性没有差异。不过因为浮筒、支柱以及相关部件在飞行中所造成的阻力，水上飞机无论是爬升或是巡航的速度，都会比陆基同等级飞机要慢。

3.1 起飞阶段

水上飞机的起飞过程實质上是水动力逐渐减小、气动力逐渐增大的过程。在起飞前，水上飞机通常在地面做好一切检修工作，然后起动发动机滑行入水。入水后，飞行员操纵飞机对准航向，然后进行起飞滑跑。此时，水上飞机的重力由船身（或浮筒）底部的水动力升力和机翼的升力共同平衡。当速度和升力增大时，机身抬起，只用机身后段着水，这样飞机就能以最小的摩擦力滑过水面。而当速度增大到使水上飞机的重力全部由气动升力平衡时，水上飞机即离开水面起飞。

3.2 降落阶段

水上飞机的降落过程类似于陆基飞机，即转入降落航向，降低高度，收油门减速，放下襟翼、副翼，直至入水降落。由于水上飞机的飞行速度比陆基飞机小，再加上水阻力比空气阻力大得多，所以现在水上飞机无需设置阻力板和加装阻力伞，便可在较短的距离内停下来。

4 结语

本文从水上飞机的特点出发，对水上飞机与陆基飞机不同的水静特性、水面滑行特性、水动性能、起飞和降落阶段进行了研究与分析对比，为水上飞机运营环境对水上飞机涉水和飞行特性的影响研究提供技术支持，保证持续增强水上飞机设计及持续安全运营能力，增强水上飞机运营环境的适应能力。

参考文献：

[1]褚林塘.水上飞机水动力设计[M].北京：航空工业出版社，2014.

[2]李洪畴.谈谈水上飞机的设计特点[M].北京：航空工业出版社，2011.

[3]唐彬彬，张家旭，等.水陆两栖飞机模型喷溅峰点分析方法研究[J].航空计算技术，2015.