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冷狗(候知健)的博客

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日志

 
 

水轰五的隐退与后继者的转变  

2013-08-18 17:25:13|  分类: 航空 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:怕冷的狗


随着近期官方公布的一次飞行事故,水上飞机这个冷门的飞机类型再次进入了大众的视野。失事的水轰五飞机设计开始于1968,水平相当有限;因此军队仅装备了几架飞机,机龄极为陈旧。

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 水轰五事故

,水上飞机的作用


水上飞机是在陆地飞机的基础上,根据水面起飞降落要求而在设计上特异化的产物。船底结构、水密隔舱、浮筒等特殊设计使水上飞机要付出比陆地飞机高的多的制造成本;而大幅度增加的重量和阻力和涉及水动力的设计限制又使其性能指标较相同技术水平下的陆地飞机远为逊色。


官方学术观点中,大型军用水上飞机的功能相当丰富,甚至包括了执行直接支援陆战队登陆,攻击敌人滩头阵地的任务。但抛开王婆卖瓜的虚言,大型军用水上飞机最实际的用途还是围绕自身能在水面起降的特点展开,执行一些陆地飞机所无法完成的任务。因此水上飞机的用途被限制的较为狭窄,型号和装备数量都比较少。


在训练和作战中不可避免出现会海洋上空的空勤人员弹射、跳伞,舰艇上的海勤人员落海;一些无法建设常规机场的海岛上,驻守部队也不可避免会出现紧急的后勤补给需求或者诸如重病、重伤人员需要尽快向后方转移的情况。相对于大型水陆两用直升机,大型水上飞机同样能在目标范围内水域降落、滑行、起飞,但其大航程、大装载容量、长滞空时间、大飞行速度的性能优势往往是无可取代的。

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水上飞机救援


而诸如海上巡逻反潜/对舰攻击、投布水雷封锁航道港口之类的任务,大型水上飞机虽然理论上可以执行,但由于平台飞行性能的差距上实在过于明显,其实际能力水平和可靠性远远不及陆基和舰载飞机。冷战时期发展过的一些承担攻击任务的大型水上飞机,在后来的发展中也逐渐退役或者转作他用。目前仅有日本由于战败国身份的特殊政治军事条约限制,仍然在大力发展基于水上飞机的军事巡逻/反潜能力。


总体上看,大型水上飞机的定位比较尴尬:装备过多数量没有意义,一些数量很少但不可避免的偶发情况又对其严重依赖。考虑到我国海区有多达6000多个岛屿,而且分布面积非常广泛,大型水上飞机在装备体系中仍然有一定存在价值。


,水轰五的船型机身


上世纪五十年代,我国进口了一些苏联的别-6水上飞机,并在六十年代末期退役。为了填补装备缺口,我国在1968年筹建了水上飞机研究所(605所,后改名中国特种飞行器研究所),与哈尔滨飞机制造厂(122厂)联合研制新型水上飞机,即后来的水轰五。这个项目非常急迫,1968605所还在组建过程中就已经开始了飞机设计;7月份开始方案论证以后,仅用了3个月时间就上报中央。有观点认为这与1967年日本新明和公司研制的PS-1反潜水上飞机首飞有关,在当时浮躁的社会气氛下,邻国的刺激对项目的决策推进起到了巨大的作用。

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-6


飞机要克服重力在天空中飞行,需要通过机翼上下表面不同流动速度的空气产生压力差形成向上的升力。但就像人在空气中快速挥动手掌很容易,而在水中则不仅费力而且速度也要慢得多;大型水上飞机同样面临水阻力远高于空气阻力、以及稳定性和抵抗遇浪等问题。水轰五的机身底部外形、结构,就是参照船舶的水动力设计概念而来;事实上这种飞机的整个机身在飞机设计中都被称为“船身”,而且大量沿用了包括甲板线、舭线等船舶术语。与其说它是能起降在水上的飞机,不如说它是字面意义上的飞船。

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由于要在水面上高速滑行,水轰五船身的结构要求比常规飞机高很多:在极限气象水文条件下、时速接近200km/h时仍然要能承受遇浪和着水的冲击而不引起结构永久变形、破裂。在由于战伤、与水面漂浮物、暗礁等碰撞引起结构破裂以后,仍然能保持较好的不沉性能。为此水轰五采用了船底龙骨和水密隔舱等结构设计,全机分为10个水密舱,可以保证相邻的2舱进水仍然不沉。舱与舱之间的水密隔框上设置可以承受一定压力的水密门供飞行员等空勤人员通行。


 

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如果说船底龙骨和水密隔舱在原理上都和正常船舶没有区别的话,那么水轰五这种前低后高,而且中间通过一个台阶(称为断阶)形成不连续面的船底外形,就是水上飞机的独有设计了。断阶前方的前船体部分是主滑行面,设计与高速快艇类似;水轰五起飞时在发动机推动下不断加速,水通过船底突出的分水体不断被分流至两侧形成高速水流。它的外形对水面滑行过程中的阻力大小、姿态稳定特性,喷溅情况起到决定性的作用。


水轰五底部中间明显的断阶,则是针对起飞和降落做的优化设计。采用断阶后,前船体的主滑行面和高速水流被强行截断,并在后方形成低压区。经过针对性设计的低压区有效的改善了水轰五的水动力与飞机重心、气动力的互动效果,使飞机纵向的倾角变化随着滑行速度变化规律起来,保证了起飞降落中的稳定。

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断阶减阻


最重要的是,断阶这种在常规飞机上会造成明显阻力损失而不可接受的设计,通过巧妙的引入气动力干扰水动力,使水上飞机在起飞性能上获得了明显的提升。随着速度增加,水阻力也越来越大,在水上飞机达到起飞临界速度时,水阻力会形成一个巨大的峰值。断阶设计形成的低压区,在水轰五不断接近起飞临界速度、机翼升力大幅度增加使机身吃水深度减小时,会从断阶两侧不断吸入空气并逐渐形成空气垫隔绝高速水流对后船体的冲刷,大幅度减小阻力。


四,水轰五的缺陷和窘境


水轰五实际上是参照别-6水上飞机放大,并且更换机翼设计的产物。对于我国来说,当时也不存在别的选择;但论证的过于仓促和航空工业能力的限制,使得水轰五的飞行平台设计过于原始、简陋,存在着严重的性能落后和功能局限性。


水上飞机必须拥有尽可能低的起降速度。同样速度下水阻力远大于空气阻力,速度越加大这个差距也加大的越快;起降速度的降低会使水上飞机大幅度的减小起飞临界阻力,获得非常明显的性能优势。另一方面水上起降面临着水浪和漂浮物冲击等问题,安全因素比陆地上要复杂的多,高起降速度和长距离高速滑行会严重的降低飞机的安全性能——超过90%的飞机事故都发生在起降阶段。


就像大多数水上飞机一样,水轰五出于安全因素选择了上单翼布局:为了防止喷溅起来的水浪打坏螺旋桨,一般原则是螺旋桨的下端必须与静水水面保证1.4米以上的距离。当时唯一可选的775涡轮螺旋桨发动机(涡桨5甲),螺旋桨直径3.9米,因此飞机的最大设计高度也被确立在4.5米。

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水轰五由于飞机放大以后要使用4台发动机,取消了别-6的海鸥式机翼,采用了大展弦比(达到9)的平直翼。但是由于设计能力的严重匮乏,水轰五实际上根本没有做针对性的短距起落设计,不但机翼只能选取成熟但性能有限的翼型(翼根为NACA23018,翼尖为NACA4410),而且增升措施极为有限:除了螺旋桨滑流带来的未做任何增强的动力增升外,仅在中外翼后缘设置了8个简单开裂式襟翼。为了弥补机翼产生升力弱的问题,水轰五把机翼面积加大到了144㎡,正常起飞重量下翼载荷只有250kg/㎡,但起飞性能仍然严重不足:离水速度达到145km/h,而离水滑跑距离达到482m


而日本的PS-1水上飞机在短距起降优化上相当完善,不仅在机翼前缘设计了长度超过翼展34%的缝翼,后缘设计了大幅强化的大面积的内、外襟翼;而且还设计了复杂的附面层控制手段,从发动机引出高压气流吹除内、外襟翼上的附面层,其最大偏转角度可以达到8060度。通过这些复杂的增升手段,PS-1水上飞机正常起飞重量下的离水速度仅需要83.5km/h,离水滑跑距离仅需要250米;只相当于水轰五的57.5%51.8%

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PS-1


水上飞机的一个重要特性是,在加大载荷(例如燃油、武器)以后性能的损失比陆地飞机大得多。除了像陆地飞机一样需要产生更多升力、克服更多气动阻力才能升空以外,加大的吃水深度会使水阻力急剧增加。水轰五和PS-1起飞时增升能力的差距,会更直接的体现在航程、实际可用载重量等方面。


水轰五和PS-1的差距是全方面的,不仅是性能上的,也是安全性和操纵效率上的。失速速度在130km/h左右的水轰五,与失速速度仅有74.2km/hPS-1,在水面迫降时谁更安全,这不言自明。PS-1为了防止操纵面结冰引起失控和改善低速下的操纵响应,不仅给垂尾、平尾设计了加热除冰系统,而且极为奢侈的给水平尾翼、方向舵增加了附面层吹除系统,水平尾翼还进一步加装了缝翼。而反观水轰五,除了机翼前缘内有加热除冰设备便无善可陈。


    水轰五增升手段的欠缺,一部分是我国气动水平的不足,另一方面则是当时的航空工业能力根本无法支撑复杂的液压、高压气体管路设计。我国航空液压体系从建国起直到现在历经了2代,分别是米格21引进时带来的21MPa体系和苏27引进时带来的28MPa体系。水轰五由于设计年代早而且仓促浮躁,其飞行控制系统甚至连全面21MPa液压化都没有做到:升降舵、方向舵是硬式操纵(拉杆、摇臂等)系统,副翼是混合式操纵(钢索、拉杆、摇臂等)系统,连助力器都没有。也就是说340吨重的水轰五在飞行过程中,操纵面的偏转完全依靠飞行员的体力通过机械结构放大后生拉硬拽——这对今天的飞机设计完全是不可想象的。


军队此后只装备了4架水轰五飞机,并艰难服役至今。有看法认为水轰五未能大量装备的主要原因还是机载设备的落后使其作战能力不如预期,反潜和反舰设备的性能落后和可靠性低下使其长期只能充当目视巡逻机使用。但这无法解释后来国内有了堪用设备也并未恢复水轰五生产的事实。水轰五的窘境,归根结底还是由于它自身的设计缺陷太多不堪使用,而且这些问题涉及基础设计的方方面面;不把整个飞机彻底推倒重新设计,就没有获得本质上改善的可能。


四,200与蛟龙600间的抉择


我国曾经在几年前盛传要购买俄罗斯的别200水陆两用飞机,作为水轰五的后继机种使用。虽然从今天看这一消息已经不可能变成事实,但别200确实曾对我国形成非常大的吸引力。


从分类上说,别200和水轰五一样,在广义范围内都属于水上飞机,但进一步区分的话,别200属于功能级别更高的水陆两用飞机。水轰五看起来和其它飞机一样都有起落架,但如果细究起来,水轰五采用的是机载滑行架。与常见意义上起落架不同的是,机载滑行架实际上是为了简化设计和降低成本形成的阉割品,强度等性能非常有限,根本无法承受起飞和降落带来的载荷和冲击,而且对牵引时的速度也有严格限制——水轰五的陆地滑行速度就被限制在15km/h以下。

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水上飞机同样需要淡水冲洗维护、大修等保障,并不能摆脱对机场的依赖。因此水轰五这样的飞机都需要兴建特殊的专用水上机场,通过上下水滑行道与海面相连;不仅极大的限制了飞机的使用灵活性,而且从经济成本上说也极不划算。别200这样可以在陆地机场上像普通飞机一样起降的水陆两用飞机,则彻底克服了这一缺陷。


在定位取向上,别200与水轰五、PS-1却大相径庭。以设计完备的PS-1为例,这类以军事用途为主,强调短距起降的水上飞机从制造到性能上都付出了相当多的代价:结构复杂的增升系统不仅成本昂贵,而且增添了大量的重量;四台螺旋桨发动机在低速上提供了充沛的动力,但不仅油耗大噪音高,而且就像安装它的平直翼一样,巨大的阻力使飞机不可能进行高亚声速飞行。

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200却完全是一架能够水上起降的喷气式客机。大展弦比的后掠翼虽然降低了一些低速升力性能,但更适合高亚声速飞行。两台涡扇发动机,不仅适合较高速度飞行,而且其机翼上置的绝妙设计更是一举三得。既避免了喷溅的水浪打坏发动机叶片;又利用发动机的吸气和喷射对机翼上表面的气流进行加速,实现有效的动力增升;最后还利用中央机翼屏蔽了相当部分发动机噪音对机舱的影响,提高了乘坐舒适性。


200的经济巡航速度为560km/h,略高于水轰五和PS-1的最大飞行速度;最大巡航速度达到700km/h。但作为代价,该机对于恶劣水文气候条件的能力已经大为降低,而且起降的离水、着水滑跑距离分别达到了1600米和1100米。虽然在别200还有用于森林消防的改进型号,但是对于使用地点和条件的高要求,已经使它不再适用于军事、应急救灾用途,笔者认为这是最终导致我国并未引进该机的根本原因。

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US-2


单纯从技术角度看,水轰五的最佳后继型号是日本的US-2飞机。US-2也是出自日本新明和公司,是自PS-1以来的第三代水上飞机。优化的水动力、气动力设计,电传飞控系统、增强的动力系统、气密增压机舱等等改进;大幅提升了离水、着水时的操纵品质和整体飞行性能,几乎各方面都很令人满意。但因为政治原因,我国根本不可能引进这一型号。

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蛟龙600


结语:

根据公开消息,我国正在研制一款名为蛟龙600的水陆两用飞机并有可能于今年首飞。该机在任务定位上抛弃了不切实际的轰炸、攻击用途,而是着重于紧急救援、水面滑行汲水并空投灭火。该机在水轰五研制和使用经验的基础上进行全新设计,机身、机翼由西飞负责详细设计和制造,而后机身与尾翼则交由陕飞研制。


从国内的运八高新平台、运20的研制实践来看,未来的蛟龙600在性能上做到接近US-2是完全可能的。性能功能完善化、摆脱专用机场限制的蛟龙600,市场前景比水轰五要强不少;虽然军队采购数量会很有限,但是海监等海洋部门,以及内陆一些历来森林防火压力很大而附近又有湖泊可以汲水的地区的政府,都有可能成为该机的新用户。笔者并不太认同研制方声称15年内该机可以获得60架以上销量的市场调研,但仍然认为超过20架甚至接近30架销量是完全可能的。

     

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