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航空百问:水上飞机“船体”里的奥秘

水上飞机是具有水面起降能力的飞机。

从外形上看,它的上半部与普通飞机没有多大区别,而下半部则是一个“船体”的形状。

飞机实现在水上的起飞与降落,其奥秘就在这个“船体”里。

飞机从水上起飞,首先要克服水阻力和空气阻力,使飞机加速到起飞速度,从而实现离水、起飞。但是由于水的密度是空气密度的800倍,在同等条件下水阻力比空气阻力大得多,空气阻力随着速度的增大而增大,如果水阻力也同样随速度增大而增大,那么两者之和将大于发动机本身的拉力,飞机无法加速。

那么水上飞机是如何降低水阻力的呢?

设计师在机身下部的“船体”上设计了一个“台阶”,称为断阶,断阶的主要作用是将船体分割成前体和后体两个部分,前体前部和后体向上翘起,前体后部为主滑行面。低速时,前体和后体均与水接触,此时飞机主要靠水的静浮力支撑,当速度逐渐增大时,水动升力增大,船体抬升,前体前部和后体逐渐离水,到高速时仅有前体主滑行面与水接触。

飞机从静止开始加速,到起飞速度这个过程中,水阻力在低速时达到峰值,此后逐渐减低,即便空气阻力逐渐增加,也能够保证飞机始终具有加速能力。

水上飞机在水面运动时会溅起水花,称为喷溅。喷溅沿飞机两侧和后方运动,螺旋桨高速旋转,如果大量的喷溅冲击到螺旋桨或是襟翼等部件,会造成结构的损坏。由于螺旋桨和机翼基本处在船体的中间位置,因此抑制船体前部分产生的喷溅至关重要。

那么水上飞机是如何抑制喷溅的呢?

设计师在船体前部设计了抑波槽,用来消耗喷溅的能量、改变喷溅的方向,抑波槽是船体侧面的沟槽,外侧安装有抑波板,并开有减压孔。从船底产生的喷溅沿着船体面爬升,进入到抑波槽后,由于抑波板挡住了喷溅原来的流动方向,喷溅的流动方向被改变,一部分喷溅从减压孔流出,剩余的喷溅在抑波槽内旋转一圈后从抑波板下侧流出。

由于能量的消耗和方向的改变,流出后的喷溅对飞机结构的影响已大大减弱,从而降低对机体结构的损害。

水上飞机在水面降落时,飞机承受较大的着水载荷。载荷越大,飞机就必须设计得越强,但随之重量也会越重。为减低着水载荷,除了限制飞机的着水速度和着水姿态外,设计师将船体设计成V形截面的形状,这种形状可以最大限度地降低飞机着水时与水的接触面积,从而保证飞机在任何情况下着水时的载荷都比限制载荷小。

断阶、抑波槽、V形船体,有了这些特殊设计,水上飞机就可以在水面安全起降了。