世界上第一架直升机是由德国科学家福克于1937年设计制造的FW-61横列式双旋翼直升机。该机首次由女飞行员莱西驾驶,以68公里/小时的速度由柏林飞到伦敦,震动了整个航空界。

水上飞机

水上飞机编辑


水上飞机是能在水面上起飞、降落和停泊的飞机,简称水机,其中有些同时也能在陆上机场起降的,称为两栖飞机。水上飞机分为船身式和浮筒式两种。水上飞机主要用于海上巡逻、反潜、救援和体育运动。
 

1简介

水上飞机(Seaplane)泛指利用水面、包括海洋、湖泊与河川起飞,降落与停靠的现代科技飞机。水上飞机分为船身式(即按水面滑行要求设计的特殊形状的机身)或浮筒式(把陆上飞机的起落架换成浮筒)两种。

                                    
 

2发明者

第一架从水上起飞的飞机,是由法国著名的早期飞行家和飞机设计师瓦赞兄弟制造的。这是一架箱形风筝式滑翔机。机身下装有浮筒。190566日,这架滑翔机由汽艇在赛纳河上拖引着飞入空中。
 

3优点及缺点

水机在军事上用于侦察,反潜和救援活动;在民用方面可用于运输,森林消防等。水机的主要优点是可在水域辽阔的河、湖、江、海水面上使用,安全性好,地面辅助设施较经济,飞机吨位不受限制;主要缺点是受船体形状限制不适于高速飞行,机身结构重量大,抗浪性要求高,维修不便和制造成本高。
 

4用途

水轰5是中国自行研制的水上反潜轰炸机,主要用于近海域的侦察、巡逻、反潜,也可用于对水面舰艇监视和攻击。经过改装还可用于灭火。该机研制工作是1968年开始的,第1架于19764月首飞,1986年交付使用。水轰5为大展弦比高置上单翼,机翼上装4WJ5甲涡桨发动机,最大起飞重量45吨,外翼下有支撑浮筒,双立尾置于水平尾翼两端,船形机身前部有抑波槽,两侧有挡水板。机上装有搜潜反潜设备,机身后段背部有炮塔,可携带鱼雷、炸弹、空对舰导弹等武器。

 

5研制

种类

早期,水上飞机和陆上飞机是同时发展的。水上飞机分为船身式即按水面滑行要求设计的特殊形状的机身或浮筒式把陆上飞机的起落架换成浮筒两种。两栖飞机则在船身或浮筒上装可收放的起落架,在水上起降时收上,在陆上起降时放下。

原理

为什么水上飞机能在海上起降

水上飞机可以适应水上、空中两种不同环境的原因,和它特殊的设计分不开。假如说它是船,但它却像飞机一样有机身、机翼、尾翼、螺旋桨以及起落架;假如说它是飞机,但它的机身又是斧刃形的庞大船体。这一独特的特点,使它成为真正的全能选手

当水上飞机停泊在水上时,宽大船体所产生的浮力,就会使飞机浮在水面上并且不会下沉。但在需要起飞时,螺旋桨发动机产生的拉力,就会拖着它以相当快的速度在水面上滑跑。伴随着速度的不断增加,机翼上产生的升力慢慢克服了飞机的重力,从而把飞机从水面上逐渐托起来,成为在空中飞行的航船。而在它完成空中任务之后,自然也要重返到水面,从而成为一只可以在水上滑跑的航船。因此,国外许多人根据水上飞机这一特点,又把它叫做水上飞船或飞机巡洋舰。

 

6历史

世界上第一架能够依靠自身的动力实现水上起飞和降落的真正的水上飞机是由法国人亨利·法布尔发明制造的(注:与昆虫学家法布尔区分)。法布尔出身于船舶世家。在年轻时对工程学发生兴趣,并继承了家族对大海的特殊感情。飞机诞生后,他决心追随莱特兄弟和瓦赞兄弟,并设想制造能在海上起降的飞机。1907—1909年,他在水上和陆上进行了大量的基础性研究工作,他的最重要工作是对浸入水中的翼面和浮筒所作的理论研究。

1909年,法布尔开始运用他的理论成果制造飞机。第一架样机装有3个浮筒和3台安扎尼发动机,但它从未能飞起来。同年下半年,法布尔制造了第二架样机,这架单翼机的结构非常有趣,多处反映出设计师作为船舶制造者的背景。飞机前端有一对舵和两个水闰升力面,上面的一个作升降舵。机岙前部有一浮筒,加两个浮筒装在机翼下。飞机的整个构架是木的制的,浮筒用胶合板制成。

这架飞机的首次飞行是1910328日在马赛附近的海面上。年方28岁的法布尔以前从未飞行过。第一次试飞时,飞机以55公里/小时的速度在水面上滑行,却未能飞起来。第二次试飞中,飞机终于飞离了水面,直线飞行约500米。随后法布尔又驾机试飞了两次,并作了小坡度转弯飞行。第二天,飞行距离达到6公里。世界上第一架浮筒式水上飞机诞生了。

1911年,在法布尔的另一架水上飞机因驾驶员的错误而坠毁后,他因花费太大而停止了研制自己的水上飞机,转而为他人的飞机设计和制造浮筒。这一年,他为一架瓦赞式双翼机设计了浮筒,使之成为世界上第一架水陆两用飞机。

也就在这一年的2月,美国的著名飞机设计师柯蒂斯驾驶着他的装有船身形大浮筒的双翼机在水面上起飞和降落成功,成为世界上第一架船身式水上飞机。柯蒂斯为船身式和浮筒式水上飞机发展 都作出了重要贡献。柯蒂斯的水上飞机诞生后不久,就从密执安湖上救起一名迫降的飞行员,预示了水上飞机的广阔应用前景。

早期,水上飞机和陆上飞机是同时发展的。20世纪30年代水机发展十分迅速,远程和洲际飞行几乎为水机所垄断,还开辟了横越大西洋和太平洋的定期客运航班。例如,德国道尼尔公司20年代末研制的DoX是当时世界上最大的水上飞机,机翼上方分6组背靠背地装12台活塞式发动机,最大速度达到224千米/小时,192910月曾创造一项载169名乘客飞行的世界纪录,一直保持了20多年。美国联合公司30年代研制的PBY—5“卡塔林娜两栖飞机在二次大战中广泛用作海上巡逻机,生产量达4000架,战后改作森林消防飞机。战后水机发展速度放慢,主要代表机种有前苏联的别—10和日本的PS—1水上飞机,后者由于采用了附面层吹除襟翼和喷溅抑制槽技术,具有较高的抗浪能力。中国在轰—5的基础上研制了水轰—5,能执行反潜任务。
 

7型态

飞艇

水上飞机依照与水面接触的设计方式,可以区分为三类:飞艇(Flying Boat)一般是中大型水上飞机常见的设计方式,机身直接与水面接触,不另外在机身下方加装浮筒,有些机种在两侧机翼也会装置辅助浮筒。飞艇的另外一种衍生型是利用地面效应的地效飞行器,不过一般并不将这种飞行器包含在飞艇的分类当中。详情请参考相关条目。


 

两栖飞机

两栖飞机(Amphibian),是指可以加装或者是本身就有机轮,能够直接在陆地上操作与起降的水上飞机,这一类飞机可以视需要在水面或者是陆上机场活动,因此有两栖飞机的称呼。
 

浮筒水上飞机

浮筒水上飞机(Floatplane)一般多是小型飞机所采用,在机身下方装有一或两个浮筒,将机身与水面分离,有些飞机在机翼两边还装有小型辅助浮筒,以避免飞机因为往两侧倾斜还有翻覆的危险。

只有一个浮筒设计的水上飞机,浮筒位于机腹正下方。两个浮筒设计的,则是分别位于机腹两侧的位置。

自一次世界大战开始,巡洋舰以上的军舰多半会携带一架或者是更多的浮筒水上飞机,以进行远距离侦查,目标搜索与火炮射击时的误差修正等任务。这些飞机平时停放在军舰上面,有些是从炮塔上方的起飞滑轨弹射出去,有些吨位较大的舰艇有专属的滑轨或者是机库安放这些观测用的水上飞机。当飞机降落的时候则是先降落在军舰附近的海面上,然后由军舰上的起重机将飞机吊回舰上安置妥当,以进行下一次的任务。这一类搭载方式的浮筒水上飞机也可以由水面直接起飞。
 

8诞生

随着科学技术的不断发展,人们的飞行热继续升温。特别是在法国,许多人对飞机的研究到了如痴如醉的地步,年轻的法布尔就是其中的一个。这位造船主的子弟,对船舶和航海有着特殊的敏感和爱好。当他追随布莱里奥等航空先驱进行飞机研究时,便自然地萌生了让飞机在水面上起落的念头。于是,水上飞机的研究开始了。

法布尔研制的水上飞机,主要是在飞机的机身下方安装几个浮筒,以达到在水面上起飞和降落的目的。1910年初法布尔研制出一架水上飞机,取名水机。该机总重量为475千克,装有一台50马力的内燃发动机。其翼展为14米,机长为8.5米,最大的特点就是在机头和左右翼的下部装有三个浮筒。

1910328,马赛附近海面风平浪静,气候宜人,法布尔的水机要在这里一试身手。

驾驶员是法尔布自己,这位从未驾驶过飞机的人,此刻却胸有成竹,他相信自己能成功。水机在水面上滑行,随着速度的不断加快,水面上泛起一条洁白的航迹。突然,航迹消失了,飞机已飞离水面冲向蓝天,起飞成功了。法布尔抑制着内心的喜悦,关掉了发动机,开始降落,飞机冲击海面激起了巨大的浪花。但机上三个浮筒是用有弹性的层板制成的,起了较好的缓冲作用。水机在海面上颠了几下便稳定了下来,水面降落也成功了。法布尔没有休息,连续飞了几个起落,都十分顺利。其中一次在水面滑行时,法布尔还驾机稍稍转了个弯,也取得成功。观看的人们和官方的见证人都兴奋的地向法布尔表示祝贺。第二天,法国新闻媒体对水机的成功飞行作了详细的报道。真正使水上飞机逐步走向成熟的是美国人寇蒂斯。他是一位飞行家,也是著名的飞机设计师。早期,他设计的飞机就创造不菲的成绩。像19086月制成的一架双翼机,就创造了飞行速度每小时64千米,飞行距离1.61千米的好成绩,夺得了美国航空俱乐部设立的科学美国人奖。

寇蒂斯开始水上飞机的研究是在1908年的下半年。他在制成的双翼机上安装了两个浮筒,以便在水上起落,但这架飞机在水上试飞时未取得成功,只滑行了一段距离而未能起飞。

寇蒂斯并不气馁。1910年,他在巴黎与水机制造者法布尔进行了长时间的探讨,并借鉴了一些成功的经验。1911年,他制成的水上飞机在飞行中取得成功。这种飞机一项重要的改进就是使用副翼进行飞机的横侧操纵,这比莱特兄弟靠机翼翼尖卷曲的操纵方法进了一大步。1913年,寇蒂斯的水上飞要又有重大改进,把浮筒改成船形,使水机的起降更加安全,操纵更加方便。驾驶员和乘员更加舒适,从而使水上飞机得到了进一步的完善,被美国及欧洲各国普遍接受。1911年,美国军方向寇蒂斯订购了第一架水上飞机。寇蒂斯对水上飞机不断进行改造,使浮筒或船身的性能更加先进,并且把机轮也安装到了水上飞机上,使水上飞机可以水陆两用。此后,他设计的NC-4水上飞机已相当完善,于19195月创造了分阶段飞渡大西洋的纪录。这是件轰动全球的大事,是人类航空史上的新篇章。

 

9发展阶段

第一架水上飞机是由法国工程师Henri Fabre19103月展示的Le Canard

第一次正式有水上飞机这个称呼则是1913年英国丘吉尔所提出的。水上飞机与使用陆上机场的飞机发展的时间相当接近,早期发展的着眼点在于:

地球上超过70%的面积是水所覆盖,包过海洋,湖泊与河川,这些都是水上飞机可以操作的区域。早期陆上机场数量不多,许多机场的跑道并未经过适当的整理,早期的起落架容易产生意外。即使有跑道的机场也会因为风向的关系限制飞机起降的方向,水上飞机受到的限制较小。对于陆地面积较小但是被水环绕的地区,或者是远距离航线上没有可以使用的机场时,只有水上飞机能够到达这些地点。有些需要跑道长度特别高的飞机,像是大型客机或者是竞速机,水面给予他们良好的起降场所。
 

一次世界大战

一次世界大战期间,水上飞机已经被搭载于巡洋舰吨位以上的舰艇上担任侦查与协助舰炮射击的任务,同时也担任反潜、船团护航、沿海巡逻与轰炸等各种任务。

第一次世界大战和第二次世界大战爆发前,民航业的发展逐渐兴起,虽然许多大型飞机的航程可以抵达过去无法到达的地区,可是机场严重缺乏或者是跑道状况不佳的状况,使得水上飞机成为这些航线的最佳候选者。诸如由英国前往印度或是澳大利亚等国家航线都在这个时间陆续建立。即使大型飞机的航程足够飞跃某些海洋地区,然而在航线途中欠缺机场的状况下,万一陆上飞机发上故障或者是需要紧急降落时,将会产生严重的困扰,而水上飞机恰巧得以满足这些方面的需求。

此外,各种竞速机比赛的参加者也多利用水上飞机作为设计的型态,这是着眼于高速飞行下需要很长的跑道降落,为了减少比赛地区的限制,利用水面起降是一种极佳的解决方式。虽然浮筒与相关的结构会产生额外的阻力与重量,这个阶段许多竞速机都有非常优异的成绩,像是英国超级马林(Supermarine)的S.6B竞速机曾经拿下1931年史奈德杯竞速比赛的冠军,而他在该年创下最高的飞行纪录是651.2公里/时的高速。
 

二次世界大战

二次世界大战时期水上飞机的使用与发展到达一个巅峰的状态,包括美国、英国、德国、日本与意大利都有各种军用水上飞机,这些飞机除了继续他们的前辈所担负的巡逻、护航、侦查、反潜、轰炸与射击标定之外,也担任对其他海上目标的鱼雷攻击,或者是对其他的水上飞机进行空战等等,日本的爱知飞机公司甚至设计出可以搭载于伊-400号大型潜艇的特殊轰炸机:M6A1晴岚,预备对巴拿马运河进行轰炸,阻断美国海军增援太平洋战区的速率。
 

二战之后

二次世界大战时期,陆上机场的数量大幅增加,跑道品质较以往进步,飞机的性能与可靠性也显著提升,同时空中加油技术逐渐成熟,水上飞机的地位开始受到影响,不过在1950年代还是有新的研发计划,包括美国海军的F2Y喷射水上飞机计划。此外,民间使用水上飞机的用途也从运输扩展到救护与消防等其他工作上面,尤其是利用水上飞机可以在水面降落的同时,吸取大量的淡水进行森林火灾的扑灭或压制。

然而,各种飞机技术的进展与相关设备的完善,使得水上飞机的优势慢慢的消失,特别是在远程跨洋航线上,陆上起降的喷射客机取代水上飞机成为各家航空公司的主流,而喷射动力的特性也必须经过额外处理才能够使用于水上飞机,同时还得要考虑到避免吸入任何海水的情况。原先水面救护的工作也随着直升机的成熟化而拱手让贤。

因此水上飞机逐渐退出军用环境,仅有少数国家继续采用担任救护或者是反潜等任务。民用市场则以救护,消防与中小型交通与运输为水上飞机的主要活动市场。

125,三亚海事局辖区亚美亚航空旗下的两架水上飞机正式进入试运营阶段,这也是我国首家正式运营的水上飞机公司。
 

10水动特性

水上飞机在水面运动时所承受的水动力的规律和性能。水上飞机不仅应具备普通飞机的空气动力特性,还要保证在水面起飞、降落和水面航行的水动特性。20世纪30年代为水上飞机的全盛时期,水动力学已发展到比较完善的程度。50年代以来,随着飞机增升技术的发展,边界层控制技术被应用于水上飞机,从而减轻了水动载荷,改善了水动力性能。同时通过水动力的研究,在增大水上飞机船身(浮筒)的长宽比和断阶整流以及抑波技术等方面作的努力,也已经取得了显著的成效。水上飞机的水动特性包括水静力特性和水动力特性。

水静力特性

水上飞机在水面停泊、拖曳、漂浮和航行等静止和低速运动状态时的特性,主要包括浮性、静稳定性、抗沉性和回转性。

浮性

在水面上维持浮态的能力。水上飞机在水面停泊和航行时,表面所承受的水静压力的合力(铅垂向上)又称浮力。按照阿基米得原理,浮力大小等于水上飞机船身(浮筒)所排开的水的重量,浮力的作用点(浮心)为排开水的体积重心。

静稳定性

水上飞机因受外力作用而失去平衡产生倾斜,外力消除后水上飞机恢复初始状态的能力。静稳定性包括纵向和横向两种。船身式水上飞机翼下的支撑浮筒就是为了增加横向稳定性而设置的。

抗沉性

水上飞机的船身(浮筒)内有若干个水密隔舱,其数量多少和空间大小依使用要求而定,水上飞机在几个水密舱破损之后仍具有足够的浮力而不沉没,这种防沉的能力称为抗沉性。

回转性

水上飞机在水面作回转运动的能力。水上飞机一般靠水舵在水面上回转,但多发动机的水上飞机也可以利用两侧发动机的拉力差来实现水上回转。

水动力特性

水上飞机起飞和降落过程中的水动阻力、纵倾角、升程等运动参数随速度变化的规律。这些运动参数与水上飞机的空气动力特性共同决定水上飞机起飞降落过程中的飞机水动力特性。水上飞机的水动力特性包括水动阻力、滑行稳定性、喷溅、撞击过载和波浪的影响等,它们随水上起飞和降落的不同阶段(包括水上起飞的航行、过渡、滑行和离水)而变化,并且取决于水上飞机船身(浮筒)的外形。

水动阻力

水动阻力由滑行阻力、摩擦阻力和兴波阻力组成,它们与水上飞机空气动力阻力之和构成水上飞机起飞过程的总阻力。在起飞过程的开始阶段总阻力很快增大,形成第一个阻力峰。这时阻力的主要成分是水动的滑行阻力和兴波阻力,空气阻力较小。随着速度的增大,总阻力再由大转小,这是由于纵倾角和升程的变化使水动阻力减小的缘故。尔后,由于空气阻力的增大使总阻力再由小增大,形成第二个阻力峰,主要来自水动滑行阻力和空气动力阻力。第二个阻力峰一般小于第一个阻力峰。船身主尺度,特别是第一断阶处船身最大宽度和断阶的形状以及断阶相对飞机重心位置等,对水动阻力影响很大。

滑行稳定性

水上飞机在起飞过程中,由于水动力力矩和空气动力力矩的变化,使纵倾角也在随速度变化。

水上飞机在外力作用消失之后恢复原来状态的能力称滑行稳定性。在这个恢复的运动过程中,若其纵摇是收敛的,则滑行是稳定的;若其纵摇是等幅或发散的,而且纵摇角度大于,则认为滑行是不稳定的。不稳定区域又可以分为上和下两个范围,飞机纵倾角随速度的变化应通过这两个区域之间。如果飞机的纵倾角进入下不稳定区,可能产生海豚运动,这种情况大多发生在第一个阻力峰的前后;如果飞机的纵倾角进入上不稳定区域,可能产生跳跃运动,就是过早离水,这种情况大多发生在两个阻力峰之间的滑行过程。不稳定运动的原因除船身外形设计质量外,还与飞机重心相对断阶的位置有关。

喷溅

水上飞机在水面滑行时,船身底部向四周喷射出强弱不等的水束。喷溅除冲刷船底增大滑行阻力之外,还可能影响发动机的正常工作。同时对螺旋桨、襟翼、尾翼以及外挂武器也有不良影响。在飞机设计中,一方面设法使上述部件和武器避开喷溅,另一方面还要积极抑制喷溅。例如将船身舭部设计成带有舭弯和抑波槽的形状,甚至利用边界层控制技术降低水动载荷。

撞击过载

水上飞机在降落着水时或在高速滑行遇到大涌浪时都会产生撞击过载。用飞机作用于水的总撞击力与飞机重力之比值衡量撞击过载的大小。平船底在滑行中水动性能最好,但是撞击过载性能最差。一般将船身断面设计成带有斜升角的底部。

波浪的影响

海洋上的涌和浪是海水受自然界各种因素影响造成的能量运动。这种水的能量运动作用到高速滑行的水上飞机船身上,会造成瞬时的吃水增加,滑行阻力增大,撞击过载升高,喷溅性能变差,同时还会使水上飞机稳定性变坏。在正常起飞重量下,海面航行、起飞和降落过程中所能承受最大风浪的能力,称之为水上飞机的耐波性。同一架飞机,随着起飞重量的增加,抗风浪能力必将降低。
 

11中国首架

191989,中国试制成功第一架水飞机——“甲型一号。这是一架100匹马力,拖进式双桴双翼水上教练机,高3.8,身长9.32,幅长13.70,最大时速126公里,空机重量836公斤,载重1063公斤,装油量114公升,飞行高度3690公尺,可航行3小时,航距340公里,乘员2人,可载炸弹4颗。飞机的性能、质量并不比巴玉藻等人在美寇提司、能用、波音三厂前此所造的飞机差。这架飞机在试飞时,由于操纵杆失误而坠毁。第二年又制成一架"甲型二号",试飞时操作无误十分顺利。

1916年,刘冠雄在福建马尾建立了海军飞潜学校,聘请曾留学美国学习航空工程,以后又分别任美国"通用"飞机厂和"波音"飞机厂总工程师的巴玉藻和王助来校任教,培养飞机、潜艇人才。

1918年春,北京政府海军部在马尾福建船政局内设立飞机工程外,开始水上飞机制造。以留学英、美归国的学生为技术骨干450人,并在马尾船政局工人中挑选数十人加以训练、掌握制造飞机之工艺。海军飞潜学校飞机制造班的学生均随厂实习。利用福州船政局的机械设备,进行研制,终于成功地制造了"甲型一号"第一架木质水上飞机。

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