随着2013年5月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年,水平相当有限;因此军队仅装备了几架飞机,机龄极为陈旧。

水轰五事故
一,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。

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。
二,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,1968年605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。

别-6,Photo by Howard Mason
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。

水上飞机船身各部分名称
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。

水轰五的水密隔舱
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。

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。
三,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。
