水上飞机设计综述

【摘  要】本文简要介绍了水上飞机的设计特点和注意事项，对于各个部件不同于一般陆基飞机的设计特点给出评述，并针对水上飞机的船体参数设计进行总结。

【关键词】水上飞机;船体参数

引言

目前，我国的通用航空事业随着国民经济的增长和科学技术的进步而有了突飞猛进的发展。水上飞机也进入了快速发展时期。然而，水上飞机的设计与陆基飞机考虑的要点不同，船身设计更是完全不同。本文通过多篇文献的积累和总结，归纳出水机设计的要点。

1.水机设计的特殊性和关注点

1.1机翼设计

水上飞机的机翼设计与常规飞机并无明显特殊之处。只不过需要关注两个方面：飞机失速速度和爬升率。前者主要影响飞机着水载荷系数，而飞机着水载荷又与船身的结构设计相关（与重量相关），根据公式可以看出失速速度越小，载荷越小：

因此翼型的升力系数和翼载的合理选择可以使失速速度尽可能降低。最大限度的利用增升装置也是需要的，但同时需要注意襟翼受喷溅的影响。襟翼角度不能过大。

爬升率除了需要考虑装机推力外，主要与最大升阻比相关，因此采用大展弦比降低升致阻力。副翼通常比常规飞机大，以应对更小速度下的副翼操纵效率，主要是在水面上遇到侧风的操纵能力以及转弯能力。（考虑us-2在副翼前设置前缘缝翼）。一般为上单翼布局。（考虑喷溅效应）。

常规布局的机翼安装角主要取决于保持机身在巡航的时候水平以减小阻力。水上飞机的机翼安装角主要是需要在断阶划水离水时机翼提供最大升力。

水上飞机机翼安装角的估算公式如下：

1.2尾翼设计

为了避免喷溅打在尾翼上，一般采用T尾布局。在飞行速度之下升降舵和方向舵都应有足够的操纵效能来应对水面操纵。水平尾翼应该能够足够应付发动机拉力线上移以及水面阻力据重心位置靠下带来的较大的配平力矩变化范围。由于重心之前的船体和浮筒的存在使得水上飞机通常航向不稳定，因此通常需要添加辅助航向的背鳍来增强航向稳定性。

1.3发动机

通常水机采用螺旋桨推进。大部分现代大型水机均采用涡桨发动机。由于大的水阻和气动阻力，因此水机的推重比应比一般飞机大（一般运输机在0.25左右，US-2在0.29，蛟龙如果不提重的话在0.23，提重可能更小）。主要考虑是发动机的安装不会使桨叶打到水的喷溅。一般情况下都是尽可能将发动机位置上提。对于大中型的水机而言，反桨功能是必需的。

2.水上飞机设计的船体参数

这里只以单船身式水上飞机为例介绍一下几个主要部件在型式参数和布局上的一些主要特点。

2.1船身

单船身式水上飞机可认为在机身下部扣上去一个船体而成（兼有翼下浮筒）。下面介绍船体的几个主要参数的作用和确定。其主要参数见图1。

2.2船舭宽度

船舭宽度通常系指船舭部的最大宽度，它对水上飞机的浮力、阻力和喷溅特性都有影响。一般资料介绍，它主要是由载荷系数来选定的，可由下式确定：

2.3船身高度

船身高度的选取主要考虑两方面的因素：即保证桨尖距水面所需要的高度（对螺旋桨发动机）应使发动机处于合理的最高位置和保证船体有足够的储备浮力。船身高度可参照下列公式估定：

式中：—水上飞机的排水体积。

—船体总体积的丰满细数，可取0.4～0.5。

—储备浮力的百分数，对于>9的船身式水上飞机，取35﹪，过大的船体高度会使气动性能变坏。

（c）  断阶高度

水上飞机船底在滑行时为了改善流体动力特性而设置断阶。船身式水上飞机多采取双断阶。第一断阶的作用主要是当水上飞机滑跑时，空气能渗入断阶后的船底部，以限制浸润船身后部底面，消除水流冲刷断阶后的船底，减少船体的流体阻力;第二断阶对于改善滑跑的纵向稳定性、减少尾部浸入水中遭遇波浪、减少滑行阻力和保证正常的纵倾姿态是必要的。应当指出，由于断阶的存在使气动阻力增大了。

有的资料建议断阶高度近似取为0.03。可实际上有不少水上飞机的断阶高度都大于此数据。特别是大长宽比的水上飞机更是如此。NACA TN 1571推荐使用公式=（﹪）来推算断阶高度。

应当指出，第一断阶高度不够高时，会引起流体阻力的增加，并使飞机着水时容易产生跳跃现象。

（d）  断阶的纵向位置/

断阶的纵向位置的选择通常要经综合考虑后合理地选取后体长度与前体长度之比/和断阶相对飞机重心的位置这两种情况。

（ⅰ）/的选取

合理地选取/值，应综合考虑对稳定性、流体阻力和降落过载的影响，有的资料介绍，比较满意的折衷方案是取/=1.25～1.30。对于大长宽比的水上飞机，使后体长度大于前体长度对提高飞机的滑水稳定性是很必要的。

（ⅱ）的选取

断阶相对重心的纵向位置，不同的资料推荐有不同的经验公式，一般资料建议取（0.20～0.30）B，也有资料规定了从重心到断阶的连线与垂线的夹角。几种水上飞机的值见表3。

断阶位置还与其他因素有关，如发动机的位置越高则断阶应相应地后移些。其确切位置最后由水池實验来确定。断阶的纵向位置影响到滑行时的纵倾角，因而对阻力和（纵向和方向）稳定性都有影响。因此合理选择此参数极为重要。

（e）断阶的平面形状

第一断阶最广泛地采用等高直断阶，既结构简单，又可得到较好的流体动力性能。而第二断阶多采用尖形，它具有较小的阻力、良好的后体喷溅特性和纵向稳定性，但使航向稳定性降低。

（f）船体长宽比

船体长宽比系指船体长度与船舭最大宽度之比，即：=。早期水上飞机的都比较小，一般在5～7之间;近期发展的水上飞机多采用大长宽比船体，其中有值大于11的，长宽比对流体阻力和纵向稳定性都有影响，是一个很重要的船体外形参数。随的增加 ，流体阻力减小，但稳定区也变小，下稳定边界往后移。

（g）侧缘角

侧缘角的大小对水动阻力和着水撞击过载影响最为显著，所以合理选择第一断阶处的侧缘角的大小是很重要的，有资料介绍，第一断阶处的侧缘角=30°的船体，其最大水动阻力可达到平底船体的水动阻力的140﹪，而着水撞击过载只等于=7°31′的船底的撞击过载的25﹪。因此值的选取要综合考虑这些利弊关系，一般>30°是不利的，此时水动阻力会急剧增加，而着水撞击过载减小量变得小了。水上飞机的统计数据表明：侧缘角多取在20°～30°之间。为了得到满意的稳定下极限，有的资料介绍，前体侧缘角应在第一断阶前一段长度为1.5的范围内保持不变，再向前其侧缘角才逐步加大;当然，研究表明，并不需要保持一段侧缘角为常数，只要按照一定的速率增加断阶前的侧缘角，即设计成所谓的翘曲前体，就可以改进长船体的稳定性，翘曲速率是随长宽比的增加而增加的。

（h）后缘角

后缘角对水上飞机的起飞时的姿态（纵倾角）、流体阻力、第二断阶的离水速度和最大飞行速度都有影响，大的后缘角会提高安定上限，而小的后缘角会引起后体的粘附加重，对纵向稳定性带来不良影响。对于长船身，特别是有大的后体对前体长度比的船身，后缘角约需8°或大于8°，也有资料推荐取5°～9°。

参考文献

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

作者简介：高亦非（1989-），男，黑龙江哈尔滨人，工程师，研究方向为飞机气动设计。