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既能上天又能下海,这种大飞机是应急救援“多面手”

2019-08-06 点击:913
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  出品 | 网易新闻

  作者 | 浪潮击水,法学&军事爱好者

  让一架飞机“会游泳”,让一艘船“飞起来”,看到这些字眼,是不是觉得异想天开?在中国大型水陆两栖飞机AG600身上,这一切成为了现实。

  AG600上半身是飞机,下半身是船,它于2017年12月下旬实现陆上首飞,2018年10月下旬完成水上首飞,2019年3月又陆续投产了4架试飞飞机,填补了中国大型水陆两栖飞机的研制空白。

  

  (一)会飞又能游的“大飞机”

  AG600大型灭火/水上救援水陆两栖飞机,代号“鲲龙”,全长36.9米,翼展38.8米,大小与C919等一般干线民用客机处于同一级别,最大起飞重量也达到了53.5吨,是名副其实的“大飞机”。

  “大飞机”,是指最大起飞重量在100吨以上的军用运输类飞机或者150座以上的民用客机。在过去的几十年间,制造大飞机涉及的材料、结构设计、综合航空电子系统等复杂工程,一直是中国航空制造业绕不过去的一道坎。在很长的一段时间里,不论是军用民用,中国的大飞机都要依赖进口,可以说是中国航空工业的一处真空地段。

  这种情况随着运20军用运输机,C919大型客机和“鲲龙”AG600相继首飞成功而得到了彻底的改观,这三个型号也被人称为“中国大飞机三剑客”,三者各怀绝技。

  

  (“鲲龙”AG600出海)

  AG600主要针对中国森林灭火和水上救援的需求而研发。

  火灾发生时,它可以从火场附近的河流、湖泊、水库等水域汲水,或直接携带水和阻燃剂奔赴火场,可以在水面上滑行20秒便汲水12吨,单次投水救火面积逾4000平方米。

件下实施水面救援,一次性救护50名遇险人员。

  (二)水上飞机是如何炼成的?

  水和空气同为流体,但前者的密度接近后者的八百倍,而且本身具有波动性,并不是一个稳定的跑道。那么,“鲲龙”为什么能够在水陆之间自由穿梭呢?这得益于其不同于普通飞机的机身设计。

  水上飞机可以分为两种。

  一种是浮体式,在二战时被大量采用,其优点在于设计难度和成本很低,整体与普通飞机无异,只是简单的在机身起落架位置加装浮筒,让飞机能够漂浮在水面上。这种水上飞机适航性和抗风浪很差,往往海况稍差便无法完成起降。

  

  (浮体式水上飞机,这种设计多被用于轻型飞机)

  另一种是飞艇式,这种结构方式为了满足水陆两栖的特点,重新设计了机体下半部分,以同时适应水中和空气中不同的流体特性,外观近似于一个坚固的小艇,其制造难度远远高于普通方式起降和采用浮体式水上起降的飞机。

  “鲲龙”便属于第二种,其研制工作历经九年,突破多项关键技术,在首飞前便已经完成了百余项大型试验,三千余项设备安全性试验。

  它的机头的上半部分是人员座舱和连接后部结构的通舱(与普通飞机无异),小艇的部分采用双曲面的流线型单船体结构。为了保证机头部分整体的结构强度,上下两部分没有任何断阶,结构设计方面同时保证了水密性和适航性,并成功在控制重量的前提下实现机内增压、起落架收放等功能性需求,材料选用方面满足了机头部位安装的导航通讯等设备的功能使用要求,同时能够抵御海水的腐蚀。

  

  (“鲲龙”的机头特写)

  “鲲龙”的中段是飞机的任务核心舱,内置前三点可收放式起落架,机身上部采用悬臂上单翼下挂发动机的结构设计,中央翼段大部件由盒段、固定前缘、固定后缘、左右内襟翼组成,展长12米,弦长5.271米,弦最高0.9米。

  翼盒构件中采用的整体加筋壁板、整体机加梁的设计具有加工方便、易于维护、结构效率高和疲劳性好的特点,中央翼与机身分别以双插耳和三插耳相互连接,机翼两侧下设置的浮筒是对机体浮力的补充,同时起到控制飞机的姿态,防止倾覆,并且减少起降时水流产生扰动的作用。

  “鲲龙”中段结构中还包括八个水箱,这也是其执行任务的关键所在,20秒内一次汲水12吨的速度是通过设置的八个水箱门同时汲水做到的。另外,为了减小飞机起飞时水体的粘合作用,在飞机中段还设计有整个机体唯一的断阶。

  一般水面船舶的航速大概为30节,而“鲲龙”在起飞时速度可以达到一百节,水面对船底会产生更加巨大的压力,而八个水箱开口和一个断接对机体的整体气密性,喷水和灌水的水密性又提出了更大的挑战。为此,“鲲龙”在机身下方设置了7个水密舱,保证了密封性的同时提供更多的储备浮力,即使相邻两个水密舱失效,飞机仍然能够正常起降。

  说到飞机,想必大家最关心的还是其发动机,“鲲龙”没有采用涡轮风扇发动机,而是采用了四台功率为3120千瓦的“涡桨6”发动机,这主要是看中了其巡航状态下耗油率低。“鲲龙”的最大平飞速度只有500公里/时,但是“涡桨6”发动机使其可达到超过4500公里的最大航程,保证其在中国的任何海域(中国最大海域——南海的南北跨度为2000公里,“鲲龙”到达最南端后还可以盘旋3小时)内都能有效执行任务。

  此外,“涡桨6”发动机输出功率稳定,可靠性、安全性高,为“鲲龙”提供了一颗强大的“心脏”。

  另外,“鲲龙”的发动机短舱多数部位都采用钛合金和铝合金双层铆接设计以应对海中起降导致的复杂形变和金属腐蚀问题,复杂程度和成型困难度比起原版“涡桨6”更上一个台阶。

  

  (“鲲龙”的涡桨6发动机和机翼下的浮筒,右侧是“涡桨6”的主体)

  除了其标志性的船型底部设计,其尾部为了满足水动外形的需要,长度达到了17.5米,加上T型尾翼的延展,几乎占整个机体长度的一半,设计人员通过运用大量复合材料解决由此带来的整体平衡性问题。

  除了以上这些,在“鲲龙”的整个研制过程中,设计关键核心——新型翼身组合体气水动布局(体现为其下半部分的船体,上半部分的常规飞机气动布局和机翼下的浮筒)时,采用的新型一体化设计方法才是“鲲龙”项目最大的创新。

  具体而言,就是设计团队通过运用理论分析、数值模拟、数字化工程建模与估算、风洞试验等多种手段,分析如何优化机翼、机身、船体、船体断阶之间的气水动设计特征和相应关系,实现:

  1)全面掌握陆地起降的气动特征,进而通过水动力实验掌握飞机水面滑行的特征和参数,对比陆地和水中两种不同的起降模式中的数据;

  2)全面掌握各种飞行工况需要;

  3)全面掌握不同气水动布局性能,船体喷溅特性,机头/客舱容积,起落架布置等多种影响因素。

  最终达到这样的目标:

  1)机翼、船体断阶和主起落架三者之间的相对位置最优化布局,结合整机的重心范围合理匹配,形成最佳的气水动一体化布局;

  2)有效降低“鲲龙”在水面起降时的水载荷,提高飞机的抗浪性,缩短飞机的水面滑行距离,使飞机在高空高速巡航和低空低速搜索巡航时的气动性能能够最大程度上的兼顾;

  3)减小飞机水面滑行时的喷溅,达到综合性能最佳的船身和船体外形设计,让机身、船体和起落架整流罩在水中/空气中的阻力降低到最小。

  

  (首飞成功后的“鲲龙”过水门)

  在国际上,“鲲龙”的综合性能已经超过曾经独占鳌头的日本US-2和俄罗斯Be-200,成为名副其实的世界在研最大水陆两用飞机。

  (三)“鲲龙”——自我突破的过程

  中国水上飞机的研制历史开始于1968年,水轰5是中国第一款独立研制的水上反潜轰炸机,也可以用来侦查、巡逻、反潜等其他军事用途。它于1986年服役,至今已经过了30多年,作为军用飞机早已不堪使用。虽然其改装后也可以用于灭火,但是在有效载荷和多功能性方面已经远远落后于时代。

  作为其后继者,“鲲龙”的研制目的从最初便是用来执行森林灭火、水上救援、海洋巡察、客货运输等特种任务,任务效率自然更高。同时,其设计之初便考虑到了“一机多型”、“系列发展”的问题,今后可根据用户的需要加装其他必要设备,变身为能实现海洋环境监测、资源探测和客货运输等任务的飞机。

  

  “鲲龙”从立项、设计、制造,到适航性挂签、总装……几乎每一项对于中国大型特种飞机领域都是一次突破,仅以适航工作为例:“共召开了300余次适航审查会议,前后共确认了数千个零组件制造符合性项目、数万个制造符合性检查工序,通过42个结构大部件的适航预检查和局方制造符合性检查,下发两千余份总装指令……” “百分之九十八的机体结构和系统零件由国内供应,机载成品国产率也达到百分之九十”。

  “鲲龙”的研发工作让我们最终形成了具有中国自主知识产权的水陆两栖飞机设计研发技术体系和适航体系,它的研发不仅为我们提供了一个机型的选择,满足了两栖飞机的顶层设计需求,更锻炼了中国的科研团队的设计水平和能力,是研发综合实力的体现。

  作为世界上认知度最高的标签,中国制造(Made in China)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

  投稿请联系,稿件一经刊用,将提供千字800元的稿酬。

  官方图书《了不起的中国制造》现已上市,本书集结了专栏的优秀文章和经典案例,欢迎关注!

  

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  编辑| 史文慧

  出品 | 网易新闻

  作者 | 浪潮击水,法学&军事爱好者

  让一架飞机“会游泳”,让一艘船“飞起来”,看到这些字眼,是不是觉得异想天开?在中国大型水陆两栖飞机AG600身上,这一切成为了现实。

  AG600上半身是飞机,下半身是船,它于2017年12月下旬实现陆上首飞,2018年10月下旬完成水上首飞,2019年3月又陆续投产了4架试飞飞机,填补了中国大型水陆两栖飞机的研制空白。

  

  (一)会飞又能游的“大飞机”

  AG600大型灭火/水上救援水陆两栖飞机,代号“鲲龙”,全长36.9米,翼展38.8米,大小与C919等一般干线民用客机处于同一级别,最大起飞重量也达到了53.5吨,是名副其实的“大飞机”。

  “大飞机”,是指最大起飞重量在100吨以上的军用运输类飞机或者150座以上的民用客机。在过去的几十年间,制造大飞机涉及的材料、结构设计、综合航空电子系统等复杂工程,一直是中国航空制造业绕不过去的一道坎。在很长的一段时间里,不论是军用民用,中国的大飞机都要依赖进口,可以说是中国航空工业的一处真空地段。

  这种情况随着运20军用运输机,C919大型客机和“鲲龙”AG600相继首飞成功而得到了彻底的改观,这三个型号也被人称为“中国大飞机三剑客”,三者各怀绝技。

  

  (“鲲龙”AG600出海)

  AG600主要针对中国森林灭火和水上救援的需求而研发。

  火灾发生时,它可以从火场附近的河流、湖泊、水库等水域汲水,或直接携带水和阻燃剂奔赴火场,可以在水面上滑行20秒便汲水12吨,单次投水救火面积逾4000平方米。

件下实施水面救援,一次性救护50名遇险人员。

  (二)水上飞机是如何炼成的?

  水和空气同为流体,但前者的密度接近后者的八百倍,而且本身具有波动性,并不是一个稳定的跑道。那么,“鲲龙”为什么能够在水陆之间自由穿梭呢?这得益于其不同于普通飞机的机身设计。

  水上飞机可以分为两种。

  一种是浮体式,在二战时被大量采用,其优点在于设计难度和成本很低,整体与普通飞机无异,只是简单的在机身起落架位置加装浮筒,让飞机能够漂浮在水面上。这种水上飞机适航性和抗风浪很差,往往海况稍差便无法完成起降。

  

  (浮体式水上飞机,这种设计多被用于轻型飞机)

  另一种是飞艇式,这种结构方式为了满足水陆两栖的特点,重新设计了机体下半部分,以同时适应水中和空气中不同的流体特性,外观近似于一个坚固的小艇,其制造难度远远高于普通方式起降和采用浮体式水上起降的飞机。

  “鲲龙”便属于第二种,其研制工作历经九年,突破多项关键技术,在首飞前便已经完成了百余项大型试验,三千余项设备安全性试验。

  它的机头的上半部分是人员座舱和连接后部结构的通舱(与普通飞机无异),小艇的部分采用双曲面的流线型单船体结构。为了保证机头部分整体的结构强度,上下两部分没有任何断阶,结构设计方面同时保证了水密性和适航性,并成功在控制重量的前提下实现机内增压、起落架收放等功能性需求,材料选用方面满足了机头部位安装的导航通讯等设备的功能使用要求,同时能够抵御海水的腐蚀。

  

  (“鲲龙”的机头特写)

  “鲲龙”的中段是飞机的任务核心舱,内置前三点可收放式起落架,机身上部采用悬臂上单翼下挂发动机的结构设计,中央翼段大部件由盒段、固定前缘、固定后缘、左右内襟翼组成,展长12米,弦长5.271米,弦最高0.9米。

  翼盒构件中采用的整体加筋壁板、整体机加梁的设计具有加工方便、易于维护、结构效率高和疲劳性好的特点,中央翼与机身分别以双插耳和三插耳相互连接,机翼两侧下设置的浮筒是对机体浮力的补充,同时起到控制飞机的姿态,防止倾覆,并且减少起降时水流产生扰动的作用。

  “鲲龙”中段结构中还包括八个水箱,这也是其执行任务的关键所在,20秒内一次汲水12吨的速度是通过设置的八个水箱门同时汲水做到的。另外,为了减小飞机起飞时水体的粘合作用,在飞机中段还设计有整个机体唯一的断阶。

  一般水面船舶的航速大概为30节,而“鲲龙”在起飞时速度可以达到一百节,水面对船底会产生更加巨大的压力,而八个水箱开口和一个断接对机体的整体气密性,喷水和灌水的水密性又提出了更大的挑战。为此,“鲲龙”在机身下方设置了7个水密舱,保证了密封性的同时提供更多的储备浮力,即使相邻两个水密舱失效,飞机仍然能够正常起降。

  说到飞机,想必大家最关心的还是其发动机,“鲲龙”没有采用涡轮风扇发动机,而是采用了四台功率为3120千瓦的“涡桨6”发动机,这主要是看中了其巡航状态下耗油率低。“鲲龙”的最大平飞速度只有500公里/时,但是“涡桨6”发动机使其可达到超过4500公里的最大航程,保证其在中国的任何海域(中国最大海域——南海的南北跨度为2000公里,“鲲龙”到达最南端后还可以盘旋3小时)内都能有效执行任务。

  此外,“涡桨6”发动机输出功率稳定,可靠性、安全性高,为“鲲龙”提供了一颗强大的“心脏”。

  另外,“鲲龙”的发动机短舱多数部位都采用钛合金和铝合金双层铆接设计以应对海中起降导致的复杂形变和金属腐蚀问题,复杂程度和成型困难度比起原版“涡桨6”更上一个台阶。

  

  (“鲲龙”的涡桨6发动机和机翼下的浮筒,右侧是“涡桨6”的主体)

  除了其标志性的船型底部设计,其尾部为了满足水动外形的需要,长度达到了17.5米,加上T型尾翼的延展,几乎占整个机体长度的一半,设计人员通过运用大量复合材料解决由此带来的整体平衡性问题。

  除了以上这些,在“鲲龙”的整个研制过程中,设计关键核心——新型翼身组合体气水动布局(体现为其下半部分的船体,上半部分的常规飞机气动布局和机翼下的浮筒)时,采用的新型一体化设计方法才是“鲲龙”项目最大的创新。

  具体而言,就是设计团队通过运用理论分析、数值模拟、数字化工程建模与估算、风洞试验等多种手段,分析如何优化机翼、机身、船体、船体断阶之间的气水动设计特征和相应关系,实现:

  1)全面掌握陆地起降的气动特征,进而通过水动力实验掌握飞机水面滑行的特征和参数,对比陆地和水中两种不同的起降模式中的数据;

  2)全面掌握各种飞行工况需要;

  3)全面掌握不同气水动布局性能,船体喷溅特性,机头/客舱容积,起落架布置等多种影响因素。

  最终达到这样的目标:

  1)机翼、船体断阶和主起落架三者之间的相对位置最优化布局,结合整机的重心范围合理匹配,形成最佳的气水动一体化布局;

  2)有效降低“鲲龙”在水面起降时的水载荷,提高飞机的抗浪性,缩短飞机的水面滑行距离,使飞机在高空高速巡航和低空低速搜索巡航时的气动性能能够最大程度上的兼顾;

  3)减小飞机水面滑行时的喷溅,达到综合性能最佳的船身和船体外形设计,让机身、船体和起落架整流罩在水中/空气中的阻力降低到最小。

  

  (首飞成功后的“鲲龙”过水门)

  在国际上,“鲲龙”的综合性能已经超过曾经独占鳌头的日本US-2和俄罗斯Be-200,成为名副其实的世界在研最大水陆两用飞机。

  (三)“鲲龙”——自我突破的过程

  中国水上飞机的研制历史开始于1968年,水轰5是中国第一款独立研制的水上反潜轰炸机,也可以用来侦查、巡逻、反潜等其他军事用途。它于1986年服役,至今已经过了30多年,作为军用飞机早已不堪使用。虽然其改装后也可以用于灭火,但是在有效载荷和多功能性方面已经远远落后于时代。

  作为其后继者,“鲲龙”的研制目的从最初便是用来执行森林灭火、水上救援、海洋巡察、客货运输等特种任务,任务效率自然更高。同时,其设计之初便考虑到了“一机多型”、“系列发展”的问题,今后可根据用户的需要加装其他必要设备,变身为能实现海洋环境监测、资源探测和客货运输等任务的飞机。

  

  “鲲龙”从立项、设计、制造,到适航性挂签、总装……几乎每一项对于中国大型特种飞机领域都是一次突破,仅以适航工作为例:“共召开了300余次适航审查会议,前后共确认了数千个零组件制造符合性项目、数万个制造符合性检查工序,通过42个结构大部件的适航预检查和局方制造符合性检查,下发两千余份总装指令……” “百分之九十八的机体结构和系统零件由国内供应,机载成品国产率也达到百分之九十”。

  “鲲龙”的研发工作让我们最终形成了具有中国自主知识产权的水陆两栖飞机设计研发技术体系和适航体系,它的研发不仅为我们提供了一个机型的选择,满足了两栖飞机的顶层设计需求,更锻炼了中国的科研团队的设计水平和能力,是研发综合实力的体现。

  作为世界上认知度最高的标签,中国制造(Made in China)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

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  编辑| 史文慧

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