基本介紹
- 中文名：水上飛機
- 外文名：Seaplane;Flying Boat
- 發明者：瓦贊兄弟
- 用途：偵查、運輸
- 類型：船身式、浮筒式等
- 飛行高度：300米至800米
- 結構類型：船身式和浮筒式
- 棲力類型：水棲飛機；水陸兩棲飛機
- 規模類型：小型的一兩個發動機，大型的四個
簡介,原理,發明者,優缺點,優點,缺點,用途,分類,飛艇,浮筒飛機,兩棲飛機,其它分類,發展沿革,雛形,一次世界大戰,二次世界大戰,二戰之後,性能,水動特性,水靜力特性,浮性,靜穩定性,抗沉性,迴轉性,水動力特性,水動阻力,滑行穩定性,噴濺,撞擊過載,波浪的影響,國內發展歷程,1919年首架,1976年水轟5,2016年突破,有關書籍,
簡介
水上飛機泛指利用水面、包括海洋、湖泊與河川起飛，降落與停靠的現代科技飛機。
水上飛機飛行高度為600米至800米填補低空立體交通空白。
棲力類型：水棲飛機；水陸兩棲飛機。
原理
為什麼水上飛機能在海上起降水上飛機可以適應水上、空中兩種不同環境的原因，和它特殊的設計分不開。假如說它是船，但它卻像飛機一樣有機身、機翼、尾翼、螺旋槳以及起落架；假如說它是飛機，但它的機身又是斧刃形的龐大船體。這一獨特的特點，使它成為真正的“全能選手”。
當水上飛機停泊在水上時，寬大船體所產生的浮力，就會使飛機浮在水面上並且不會下沉。但在需要起飛時，螺旋槳發動機產生的拉力，就會拖著它以相當快的速度在水面上滑跑。伴隨著速度的不斷增加，機翼上產生的升力慢慢克服了飛機的重力，從而把飛機從水面上逐漸托起來，成為在空中飛行的航船。而在它完成空中任務之後，自然也要重返到水面，從而成為一隻可以在水上滑跑的航船。因此，國外許多人根據水上飛機這一特點，又把它叫做水上飛船或飛機巡洋艦。
發明者
第一架從水上起飛的飛機，是由法國著名的早期飛行家和飛機設計師瓦贊兄弟製造的。這是一架箱形風箏式滑翔機。機身下裝有浮筒。1905年6月6日，這架滑翔機由汽艇在賽納河上拖引著飛入空中。
優缺點
水機在軍事上用於偵察，反潛和救援活動；在民用方面可用於運輸，森林消防等。水機的主要優點是可在水域遼闊的河、湖、江、海水面上使用，安全性好，地面輔助設施較經濟，飛機噸位不受限制；主要缺點是受船體形狀限制不適於高速飛行，機身結構重量大，抗浪性要求高，維修不便和製造成本高。
水上飛機
水上飛機優點
缺點
但水上飛機的弱點是顯著的，由於水上起降要求有良好的水密性，水上飛機的結構重量、飛行阻力偏大，載荷、航程、速度等方面都不及同等級別的普通岸基飛機。作戰方面更難以接受的是，水上飛機的船型機腹有滑水用途、不能設定艙門，由此無法採用機身彈艙；而在機翼上外掛飛彈等武器，若進行水上起降，外掛武器也會受到海浪的強力衝擊，容易損壞。另外，水上飛機直接與海水接觸，在抗腐蝕、維護保養方面也要比岸基飛機多花費工夫。
水上飛機的這些缺點讓其在二戰後很快交出作戰任務，只保留海島運輸、水上救援任務。
後來，它的主要任務有兩項，一是滅火，二是水上救援。
用途
水轟5是中國自行研製的水上反潛轟炸機，主要用於近海域的偵察、巡邏、反潛，也可用於對水面艦艇監視和攻擊。經過改裝還可用於滅火。該機研製工作是1968年開始的，第1架於1976年4月首飛，1986年交付使用。水轟5為大展弦比高置上單翼，機翼上裝4台WJ5甲渦槳發動機，最大起飛重量45噸，外翼下有支撐浮筒，雙立尾置於水平尾翼兩端，船形機身前部有抑波槽，兩側有擋水板。機上裝有搜潛反潛設備，機身後段背部有炮塔，可攜帶魚雷、炸彈、空對艦飛彈等武器。
水上飛機
水上飛機分類
飛艇
飛艇（Flying Boat）一般是中大型水上飛機常見的設計方式，機身直接與水面接觸，不另外在機身下方加裝浮筒，有些機種在兩側機翼也會裝置輔助浮筒。飛艇的另外一種衍生型是利用地面效應的地效飛行器，不過一般並不將這種飛行器包含在飛艇的分類當中。詳情請參考相關條目。如日本US-2、中國AG600。
浮筒飛機
浮筒水上飛機（Floatplane）一般多是小型飛機所採用，在機身下方裝有一或兩個浮筒，將機身與水面分離，有些飛機在機翼兩邊還裝有小型輔助浮筒，以避免飛機因為往兩側傾斜還有翻覆的危險。
浮筒式水上飛機
浮筒式水上飛機只有一個浮筒設計的水上飛機，浮筒位於機腹正下方。兩個浮筒設計的，則是分別位於機腹兩側的位置。
自一次世界大戰開始，巡洋艦以上的軍艦多半會攜帶一架或者是更多的浮筒水上飛機，以進行遠距離偵查，目標搜尋與火炮射擊時的誤差修正等任務。這些飛機平時停放在軍艦上面，有些是從炮塔上方的起飛滑軌彈射出去，有些噸位較大的艦艇有專屬的滑軌或者是機庫安放這些觀測用的水上飛機。當飛機降落的時候則是先降落在軍艦附近的海面上，然後由軍艦上的起重機將飛機吊回艦上安置妥當，以進行下一次的任務。這一類搭載方式的浮筒水上飛機也可以由水面直接起飛。
兩棲飛機
兩棲飛機（Amphibian），是指可以加裝或者是本身就有機輪，能夠直接在陸地上操作與起降的水上飛機，這一類飛機可以視需要在水面或者是陸上機場活動，因此有兩棲飛機的稱呼。
其它分類
大小類型：小型的一個或兩個發動機，大型的四個發動機。
發動機類型：藏入式與外展式。
發展沿革
雛形
世界上第一架能夠依靠自身的動力實現水上起飛和降落的真正的水上飛機是由法國人亨利·法布爾發明製造的（註：與昆蟲學家法布爾區分）。法布爾出身於船舶世家。在年輕時對工程學發生興趣，並繼承了家族對大海的特殊感情。飛機誕生後，他決心追隨萊特兄弟和瓦贊兄弟，並構想製造能在海上起降的飛機。1907—1909年，他在水上和陸上進行了大量的基礎性研究工作，他的最重要工作是對浸入水中的翼面和浮筒所作的理論研究。
1909年，法布爾開始運用他的理論成果製造飛機。第一架樣機裝有3個浮筒和3台安扎尼發動機，但它從未能飛起來。同年下半年，法布爾製造了第二架樣機，這架單翼機的結構非常有趣，多處反映出設計師作為船舶製造者的背景。飛機前端有一對舵和兩個水閏升力面，上面的一個作升降舵。機岙前部有一浮筒，加兩個浮筒裝在機翼下。飛機的整個構架是木製的，浮筒用膠合板製成。這架飛機的首次飛行是1910年3月28日在馬賽附近的海面上。年方28歲的法布爾以前從未飛行過。第一次試飛時，飛機以55公里/小時的速度在水面上滑行，卻未能飛起來。第二次試飛中，飛機終於飛離了水面，直線飛行約500米。隨後法布爾又駕機試飛了兩次，並作了小坡度轉彎飛行。第二天，飛行距離達到6公里。世界上第一架浮筒式水上飛機誕生了。
水上飛機
水上飛機
水上飛機水上飛機1911年，在法布爾的另一架水上飛機因駕駛員的錯誤而墜毀後，他因花費太大而停止了研製自己的水上飛機，轉而為他人的飛機設計和製造浮筒。這一年，他為一架瓦贊式雙翼機設計了浮筒，使之成為世界上第一架水陸兩用飛機。
也就在這一年的2月，美國的著名飛機設計師柯蒂斯駕駛著他的裝有船身形大浮筒的雙翼機在水面上起飛和降落成功，成為世界上第一架船身式水上飛機。柯蒂斯為船身式和浮筒式水上飛機發展 都作出了重要貢獻。柯蒂斯的水上飛機誕生後不久，就從密執安湖上救起一名迫降的飛行員，預示了水上飛機的廣闊套用前景。早期，水上飛機和陸上飛機是同時發展的。20世紀30年代水機發展十分迅速，遠程和洲際飛行幾乎為水機所壟斷，還開闢了橫越大西洋和太平洋的定期客運航班。例如，德國道尼爾公司20年代末研製的DoX是當時世界上最大的水上飛機，機翼上方分6組背靠背地裝12台活塞式發動機，最大速度達到224千米/小時，1929年10月曾創造一項載169名乘客飛行的世界紀錄，一直保持了20多年。美國聯合公司30年代研製的PBY—5“卡塔林娜”兩棲飛機在二次大戰中廣泛用作海上巡邏機，生產量達4000架，戰後改作森林消防飛機。戰後水機發展速度放慢，主要代表機種有前蘇聯的別—10和日本的PS—1水上飛機，後者由於採用了附面層吹除襟翼和噴濺抑制槽技術，具有較高的抗浪能力。中國在轟—5的基礎上研製了水轟—5，能執行反潛任務。
水上飛機
水上飛機一次世界大戰
第一次世界大戰和第二次世界大戰爆發前，民航業的發展逐漸興起，雖然許多大型飛機的航程可以抵達過去無法到達的地區，可是機場嚴重缺乏或者是跑道狀況不佳的狀況，使得水上飛機成為這些航線的最佳候選者。諸如由英國前往印度或是澳大利亞等國家航線都在這個時間陸續建立。即使大型飛機的航程足夠飛躍某些海洋地區，然而在航線途中欠缺機場的狀況下，萬一陸上飛機發生故障或者是需要緊急降落時，將會產生嚴重的困擾，而水上飛機恰巧得以滿足這些方面的需求。
水上飛機
水上飛機此外，各種競速機比賽的參加者也多利用水上飛機作為設計的型態，這是著眼於高速飛行下需要很長的跑道降落，為了減少比賽地區的限制，利用水面起降是一種極佳的解決方式。雖然浮筒與相關的結構會產生額外的阻力與重量，這個階段許多競速機都有非常優異的成績，像是英國超級馬林（Supermarine）的S.6B競速機曾經拿下1931年史奈德杯競速比賽的冠軍，而他在該年創下最高的飛行紀錄是651.2公里/時的高速。
二次世界大戰
二次世界大戰時期水上飛機的使用與發展到達一個巔峰的狀態，包括美國、英國、德國、日本與義大利都有各種軍用水上飛機，這些飛機除了繼續他們的前輩所擔負的巡邏、護航、偵查、反潛、轟炸與射擊標定之外，也擔任對其他海上目標的魚雷攻擊，或者是對其他的水上飛機進行空戰等等，日本的愛知飛機公司甚至設計出可以搭載於伊-400號大型潛艇的特殊轟炸機：M6A1晴嵐，預備對巴拿馬運河進行轟炸，阻斷美國海軍增援太平洋戰區的速率。
二戰之後
二次世界大戰時期，陸上機場的數量大幅增加，跑道品質較以往進步，飛機的性能與可靠性也顯著提升，同時空中加油技術逐漸成熟，水上飛機的地位開始受到影響，不過在1950年代還是有新的研發計畫，包括美國海軍的F2Y噴射水上飛機計畫。此外，民間使用水上飛機的用途也從運輸擴展到救護與消防等其他工作上面，尤其是利用水上飛機可以在水面降落的同時，吸取大量的淡水進行森林火災的撲滅或壓制。
水上飛機
水上飛機然而，各種飛機技術的進展與相關設備的完善，使得水上飛機的優勢慢慢的消失，特別是在遠程跨洋航線上，陸上起降的噴射客機取代水上飛機成為各家航空公司的主流，而噴射動力的特性也必須經過額外處理才能夠使用於水上飛機，同時還得要考慮到避免吸入任何海水的情況。原先水面救護的工作也隨著直升機的成熟化而拱手讓賢。
因此水上飛機逐漸退出軍用環境，僅有少數國家繼續採用擔任救護或者是反潛等任務。民用市場則以救護，消防與中小型交通與運輸為水上飛機的主要活動市場。
2014年1月25日，三亞海事局轄區亞美亞航空旗下的兩架水上飛機正式進入試運營階段，這也是我國首家正式運營的水上飛機公司。
性能
水動特性
水上飛機在水面運動時所承受的水動力的規律和性能。水上飛機不僅應具備普通飛機的空氣動力特性，還要保證在水面起飛、降落和水面航行的水動特性。20世紀30年代為水上飛機的全盛時期，水動力學已發展到比較完善的程度。50年代以來，隨著飛機增升技術的發展，邊界層控制技術被套用於水上飛機，從而減輕了水動載荷，改善了水動力性能。同時通過水動力的研究，在增大水上飛機船身（浮筒）的長寬比和斷階整流以及抑波技術等方面作的努力，也已經取得了顯著的成效。水上飛機的水動特性包括水靜力特性和水動力特性。
水靜力特性
水上飛機在水面停泊、拖曳、漂浮和航行等靜止和低速運動狀態時的特性，主要包括浮性、靜穩定性、抗沉性和迴轉性。
浮性
在水面上維持浮態的能力。水上飛機在水面停泊和航行時，表面所承受的水靜壓力的合力（鉛垂向上）又稱浮力。按照阿基米得原理，浮力大小等於水上飛機船身(浮筒)所排開的水的重量，浮力的作用點（浮心）為排開水的體積重心。
靜穩定性
水上飛機因受外力作用而失去平衡產生傾斜，外力消除後水上飛機恢復初始狀態的能力。靜穩定性包括縱向和橫向兩種。船身式水上飛機翼下的支撐浮筒就是為了增加橫向穩定性而設定的。
抗沉性
水上飛機的船身（浮筒）內有若干個水密隔艙，其數量多少和空間大小依使用要求而定，水上飛機在幾個水密艙破損之後仍具有足夠的浮力而不沉沒，這種防沉的能力稱為抗沉性。
迴轉性
水上飛機在水面作迴轉運動的能力。水上飛機一般靠水舵在水面上迴轉，但多發動機的水上飛機也可以利用兩側發動機的拉力差來實現水上迴轉。
水動力特性
水上飛機起飛和降落過程中的水動阻力、縱傾角、升程等運動參數隨速度變化的規律。這些運動參數與水上飛機的空氣動力特性共同決定水上飛機起飛降落過程中的飛機水動力特性。水上飛機的水動力特性包括水動阻力、滑行穩定性、噴濺、撞擊過載和波浪的影響等，它們隨水上起飛和降落的不同階段（包括水上起飛的航行、過渡、滑行和離水）而變化，並且取決於水上飛機船身（浮筒）的外形。
水動阻力
水動阻力由滑行阻力、摩擦阻力和興波阻力組成，它們與水上飛機空氣動力阻力之和構成水上飛機起飛過程的總阻力。在起飛過程的開始階段總阻力很快增大，形成第一個阻力峰。這時阻力的主要成分是水動的滑行阻力和興波阻力，空氣阻力較小。隨著速度的增大，總阻力再由大轉小，這是由於縱傾角和升程的變化使水動阻力減小的緣故。爾後，由於空氣阻力的增大使總阻力再由小增大，形成第二個阻力峰，主要來自水動滑行阻力和空氣動力阻力。第二個阻力峰一般小於第一個阻力峰。船身主尺度，特別是第一斷階處船身最大寬度和斷階的形狀以及斷階相對飛機重心位置等，對水動阻力影響很大。
滑行穩定性
水上飛機在起飛過程中，由於水動力力矩和空氣動力力矩的變化，使縱傾角也在隨速度變化。水上飛機在外力作用消失之後恢復原來狀態的能力稱滑行穩定性。在這個恢復的運動過程中，若其縱搖是收斂的，則滑行是穩定的；若其縱搖是等幅或發散的，而且縱搖角度大於2°，則認為滑行是不穩定的。不穩定區域又可以分為上和下兩個範圍，飛機縱傾角隨速度的變化應通過這兩個區域之間。如果飛機的縱傾角進入下不穩定區，可能產生海豚運動，這種情況大多發生在第一個阻力峰的前後；如果飛機的縱傾角進入上不穩定區域，可能產生跳躍運動，就是過早離水，這種情況大多發生在兩個阻力峰之間的滑行過程。不穩定運動的原因除船身外形設計質量外，還與飛機重心相對斷階的位置有關。
別-200水上飛機
別-200水上飛機噴濺
水上飛機在水面滑行時，船身底部向四周噴射出強弱不等的水束。噴濺除沖刷船底增大滑行阻力之外，還可能影響發動機的正常工作。同時對螺旋槳、襟翼、尾翼以及外掛武器也有不良影響。在飛機設計中，一方面設法使上述部件和武器避開噴濺，另一方面還要積極抑制噴濺。例如將船身舭部設計成帶有舭彎和抑波槽的形狀，甚至利用邊界層控制技術降低水動載荷。
撞擊過載
水上飛機在降落著水時或在高速滑行遇到大涌浪時都會產生撞擊過載。用飛機作用於水的總撞擊力與飛機重力之比值衡量撞擊過載的大小。平船底在滑行中水動性能最好，但是撞擊過載性能最差。一般將船身斷面設計成帶有斜升角的底部。
波浪的影響
海洋上的涌和浪是海水受自然界各種因素影響造成的能量運動。這種水的能量運動作用到高速滑行的水上飛機船身上，會造成瞬時的吃水增加，滑行阻力增大，撞擊過載升高，噴濺性能變差，同時還會使水上飛機穩定性變壞。在正常起飛重量下，海面航行、起飛和降落過程中所能承受最大風浪的能力，稱之為水上飛機的耐波性。同一架飛機，隨著起飛重量的增加，抗風浪能力必將降低。
國內發展歷程
1919年首架
1919年8月9日，中國試製成功第一架水飛機——“甲型一號”。這是一架100匹馬力，拖進式雙桴雙翼水上教練機，高3.8米，身長9.32米，幅長13.70米，最大時速126公里，空機重量836公斤，載重1063公斤，裝油量114公升，飛行高度3690公尺，可航行3小時，航距340公里，乘員2人，可載炸彈4顆。飛機的性能、質量並不比巴玉藻等人在美寇提司、能用、波音三廠前此所造的飛機差。這架飛機在試飛時，由於操縱桿失誤而墜毀。第二年又製成一架"甲型二號"，試飛時操作無誤十分順利。
中國AG600明顯屬於船身式設計
中國AG600明顯屬於船身式設計1916年，劉冠雄在福建馬尾建立了海軍飛潛學校，聘請曾留學美國學習航空工程，以後又分別任美國"通用"飛機廠和"波音"飛機廠總工程師的巴玉藻和王助來校任教，培養飛機、潛艇人才。
1918年春，北京政府海軍部在馬尾福建船政局內設立飛機工程外，開始水上飛機製造。以留學英、美歸國的學生為技術骨幹450人，並在馬尾船政局工人中挑選數十人加以訓練、掌握製造飛機之工藝。海軍飛潛學校飛機製造班的學生均隨廠實習。利用福州船政局的機械設備，進行研製，終於成功地製造了"甲型一號"第一架木質水上飛機。
1976年水轟5
水轟-5是中國自行研製的水上反潛轟炸機，是世界上最大的水上飛機之一，其先輩蘇聯別-6型。水轟-5於1968年批准研製，原型機由哈爾濱飛機製造公司製造，1976年首飛成功，1986年正式服役。由於機載設備存在明顯缺陷，無法達到軍方要求，水轟-5最終未能投入大批量生產。水轟-5包括原型機在內只生產了7架，最終服役4架，配備於解放軍北海艦隊航空兵。
原作者在02號機還在宏圖廠內機場時遛入機內拍了數十張照片。當時機內設備還算全面，算是現在網上能找到的水轟5內部最完整的照片。水轟5體形巨大，曾長期是各大報刊封面的明星，但現實卻是性能不達標，生產數量極少。水轟5原定執行的任務包括：中近海域海上偵察、巡邏警戒、搜尋反潛等任務，也可監視和攻擊水面艦艇。實際上自1986年服役以來，除了目視巡邏外，水轟5基本沒有實現過其中任何一項。2013年5月30日北海艦隊一架水轟-5水上飛機在青島膠州灣海域進行飛行訓練時失事墜海，這次事故使水轟-5這款幾乎被遺忘的老邁機型重新進入人們的視線。
比較：世界上最大的水上飛機，是美國休斯公司於1947年11月2日試飛的“雲杉鵝”又稱H-4“大力神”號水上飛機。該機機長66.6米，機高9.15米，翼展97.54米，起飛重量181.4噸。原設計可以運載500～700人。
比較：俄羅斯大型兩棲飛機別-200是世界上最大的兩棲飛機，設計用於消防、搜救、海上巡邏、貨運和乘客運送，可裝載12噸水，7.5噸貨物，或72名乘客。
比較：日本最新的水上飛機或大型兩棲飛機US-2的空重為25.6t、航程4600km、巡航速度480km/h、實用升限7195m。中國AG600有27.8t空重、4500km航程、500km/h巡航速度。
2016年突破
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季羨林總. 水上飛機[M]. 北京科學技術出版社, 2006.
顏躍榮. 水上飛機[M]. 戰士出版社, 1981.
褚林塘, 葉樹林. 水上飛機文集[M]. 航空工業出版社, 2011.
王武紅. 世界水上飛機手冊[M]. 航空工業出版社, 1992.
