軍工世界丨美研制水上飛機(jī)計劃前途未卜

前不久，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）公開發(fā)布信息，美軍正在研制“自由升降機(jī)”全新重型水上飛機(jī)項目，其外形尺寸與C-17運輸機(jī)相當(dāng)。

重啟水上飛機(jī)研制項目，實屬無奈之舉。2021年，DARPA就曾公開宣稱，研制運載能力超過100噸的重型遠(yuǎn)程地效飛行器。但受躍升和轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵技術(shù)影響，美軍不得不將地效飛行器項目降級，重啟運載能力稍弱、研發(fā)難度更低的水上飛機(jī)項目。

美軍為何會放棄地效飛行器轉(zhuǎn)而研制水上飛機(jī)？地效飛行器研制到底難在哪？請看本文解讀。

美研制水上飛機(jī)計劃前途未卜

■沈業(yè)宏  安俊斌  李訓(xùn)

消防型水上飛機(jī)參與滅火作業(yè)。資料照片

“自由升降機(jī)”全新重型水上飛機(jī)概念圖。資料照片

船機(jī)一體，地效飛行器曾是美軍首選

1932年，波羅的海海域上空陰云密布，一架德國飛機(jī)穿梭于云層之間，突然發(fā)動機(jī)停車，一場航空事故似乎無法避免。然而，當(dāng)飛機(jī)降落到離海面僅有10米高度時成功“剎車”，貼著海面繼續(xù)飛行，最終安全著陸。

事后，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛機(jī)飛行高度不超過翼展長度時，會產(chǎn)生一種神奇的科學(xué)現(xiàn)象——“地面效應(yīng)”。這種效應(yīng)能夠減少飛行阻力，增加氣動升力，通過氣流把整個機(jī)身托起來、貼著水面飛行。

20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)阿列克謝耶夫設(shè)計局利用這種科學(xué)現(xiàn)象，研制出世界上第一架地效飛行器試驗機(jī)，它的外形既像飛機(jī)又像艦船，能夠貼近地面或海面飛行和自由起降，搭載100噸的貨物飛行2000千米，最大巡航速度可達(dá)550千米/小時，兼具飛機(jī)和艦船的優(yōu)點特性，具有良好的軍事應(yīng)用前景。

地效飛行器項目曾被蘇聯(lián)軍方高度保密，直至20世紀(jì)80年代，這個“龐然大物”在里海上空飛行試驗時，才被美國衛(wèi)星捕捉到，冠以“里海怪物”之名。

與傳統(tǒng)飛行器相比，地效飛行器有以下3個優(yōu)點：

一是飛行速度快。地效飛行器能夠借助水面起降，巡航飛行時不會與水面直接接觸，大大減少了飛行阻力，飛行速度比一般艦船的航速高出10多倍。

二是突防能力強(qiáng)。地效飛行器可綜合運用各種隱形技術(shù)，降低雷達(dá)、紅外等物理信號特征，順利越過專為登陸艇、氣墊船設(shè)置的垂直障礙，快速突襲敵方目標(biāo)。

三是保障效益高。地效飛行器容量大、運輸效率高，在沒有港口、碼頭的特殊情況下，可以一次性運送數(shù)百名士兵和數(shù)輛裝甲坦克，快速完成物資保障，運輸成本也低于普通飛機(jī)。

未來戰(zhàn)場上，地效飛行器的發(fā)展?jié)摿艽螅軌驈V泛應(yīng)用于登陸機(jī)降、運輸補給、反艦反潛、掃雷布雷和偵察巡邏等軍事任務(wù)，是名副其實的海陸空三位一體的高科技飛行器。正因如此，美軍在此次宣布研制重型水上飛機(jī)之前，最屬意的是運載能力超過100噸的重型遠(yuǎn)程地效飛行器。

應(yīng)用受限，地效飛行器貼海飛行問題亟待解決

作為蘇聯(lián)重點研究的武器裝備，“里海怪物”地效飛行器共制造了2艘。

1969年，在一次飛行試驗中，受海面惡劣氣候影響，“里海怪物”地效飛行器失控墜海。11年后，完成修復(fù)的“里海怪物”再次發(fā)生飛行事故——由于飛行員操作失誤，飛行器不慎觸水解體。

兩次事故并非偶然。實際上，地效飛行器操作難度很大，地面效應(yīng)是優(yōu)勢也是桎梏。為保持地面效應(yīng)提供的升力效果，大多數(shù)地效飛行器必須貼海飛行，飛行高度一般不會超過30米。在這種高度下，以500千米/小時的速度快速飛行，風(fēng)險是顯而易見的。與地面相比，水面波動導(dǎo)致傳導(dǎo)振動更強(qiáng)，一旦遭遇狂風(fēng)大霧，來不及避開波浪，便極有可能發(fā)生飛行事故。

如何破解地面效應(yīng)受限問題，蘇聯(lián)科學(xué)家始終沒有找到答案，地效飛行器的研制工作被迫擱置。蘇聯(lián)解體后，“里海怪物”也宣布退役。

自地效飛行器誕生以來，美、英等國也都多次嘗試過研發(fā)生產(chǎn)。21世紀(jì)初，美國波音公司曾研制過一款“鵜鶘”地效飛行器。如同其名，無論是外形尺寸還是裝載能力，“鵜鶘”遠(yuǎn)超當(dāng)時世界上最大的運輸機(jī)安-225。不過，這樣好高騖遠(yuǎn)的研制計劃，已經(jīng)超出當(dāng)時的科技水平。沒過多久，“鵜鶘”地效飛行器項目被迫下馬。

地效飛行器到底有多難造？

作為“飛機(jī)+船”的組合產(chǎn)物，制造地效飛行器遠(yuǎn)不是技術(shù)疊加那樣簡單，必須兼顧水動和氣動兩種性能。這不僅要求掌握高精度密封鉚接技術(shù)、對接數(shù)字化定位技術(shù)等，還需要實現(xiàn)數(shù)字化柔性工裝及激光跟蹤儀測量，技術(shù)難度可想而知。

雖然地效飛行器具有飛行距離遠(yuǎn)、運輸效率高等優(yōu)點，但在今天看來，機(jī)動性能十分有限。“里海怪物”地效飛行器的轉(zhuǎn)彎半徑長達(dá)8000米，想要保持穩(wěn)定控制非常困難。此外，地效飛行器難以適應(yīng)復(fù)雜海況條件、距離水面過近不利于避讓障礙物等缺點，限制了其在軍事領(lǐng)域的發(fā)展。

總而言之，研制地效飛行器必須解決躍升、轉(zhuǎn)向等關(guān)鍵性技術(shù)難題，但這并不容易，需要投入大量科研人力和財力。

方案折中，重型水上飛機(jī)研發(fā)難度依然不小

如果說地效飛行器的失利給俄羅斯關(guān)上了一扇門，那么水上飛機(jī)的成功則打開了一扇窗。

得益于研制地效飛行器的技術(shù)積累，俄羅斯的水上飛機(jī)技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先地位。2003年莫斯科航展上，別-2500水上飛機(jī)模型機(jī)一經(jīng)亮相，便引起世人關(guān)注。別-2500最大載重高達(dá)1000噸，相當(dāng)于10架美軍C-17運輸機(jī)總和。

此舉引發(fā)連鎖反應(yīng)。美國海軍陸戰(zhàn)隊、海軍、海岸警衛(wèi)隊近年來曾公開表示，需要一款性能出眾的水陸兩棲飛行器，在不依賴港口和跑道的條件下快速完成兵力投送。

按照美軍設(shè)想，“自由升降機(jī)”外形與大型飛艇相似，尺寸和載重與C-17運輸機(jī)相當(dāng)，能夠運載90噸貨物，在浪高2.5米的海況下完成起降，既能在離地不到30米的高度長時間貼海飛行，也可以爬升至3000米的云端，以遠(yuǎn)超過現(xiàn)有水上飛機(jī)的飛行速度執(zhí)行遠(yuǎn)程戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)運輸任務(wù)。

這是一個極具挑戰(zhàn)的指標(biāo)?，F(xiàn)役水上飛機(jī)別-200、US-2等，運載能力普遍不高，這與“自由升降機(jī)”沒有可比性。

在“自由升降機(jī)”研制過程中，美國通用原子公司和極光飛行科學(xué)公司選擇了截然不同的設(shè)計方案。從概念圖上看，通用原子公司研發(fā)理念十分超前，不僅采用了罕見的雙機(jī)身設(shè)計，增強(qiáng)“自由升降機(jī)”的運載量和抗風(fēng)浪能力，還選擇了與傳統(tǒng)運輸飛機(jī)和水上飛機(jī)差異較大的中翼設(shè)計。

傳統(tǒng)運輸機(jī)上翼或下翼設(shè)計，能夠避免擠占艙體運載空間，最大程度實現(xiàn)空間利用、降低研制成本。而水上飛機(jī)大多采用上翼設(shè)計，主要是為了盡量抬高機(jī)翼，以削弱海浪撞擊。這一做法同樣存在弊端：機(jī)翼抬高會減少地面效應(yīng)帶來的升力增益，機(jī)翼高度越大，性能差距也就越明顯。

為解決這一問題，美國通用原子公司選擇在機(jī)翼后側(cè)分散布置12臺渦輪螺旋槳發(fā)動機(jī)，借助機(jī)翼遮蔽發(fā)動機(jī)，減少海浪沖擊帶來的影響，獲得最大的升力增益。與之相比，美國極光飛行科學(xué)公司的方案就要常規(guī)得多，更接近傳統(tǒng)飛艇，采用單機(jī)身、上單翼布局，擁有8個航空發(fā)動機(jī)。

對于這兩種方案，美國軍方態(tài)度更為謹(jǐn)慎。從目前情況看，美軍選擇了一條比較穩(wěn)妥的路線——放棄純粹的地效飛行器，而是在水上飛機(jī)的基礎(chǔ)上融合地效飛行器的特點。

即便如此，“自由升降機(jī)”仍不可避免要遭遇水上高速滑行、起降、海浪撞擊等一系列問題。大型軍用運輸機(jī)，機(jī)身內(nèi)部開闊是鮮明優(yōu)勢，但這與水上飛機(jī)的飛行安全發(fā)生沖突——為了形成足夠的浮力，水上飛機(jī)的內(nèi)部空間要盡可能的分割化和密閉化。這樣即便少數(shù)隔艙進(jìn)水，其他隔艙依然能夠提供足夠浮力，避免飛機(jī)沉沒。此外，“自由升降機(jī)”的飛行高度，也極大限制了運載能力，在飛機(jī)起飛脫離地效高度后，將沒有足夠的升力維持飛行。

其實，美軍早就計劃重啟水上飛機(jī)項目。2021年，美軍特種作戰(zhàn)部隊希望通過加裝浮筒的方式，將“大力神”運輸機(jī)改裝為水上飛機(jī)。這種改進(jìn)方式太過倉促，隨著浮筒和船身吃水深度加大，水上飛機(jī)起飛阻力也急劇增加，很難實現(xiàn)安全起降，更別說應(yīng)對突發(fā)海況了。

從水上飛機(jī)到地效飛行器，再到水上飛機(jī)，一切似乎又回到了起點。幾十年技術(shù)脫節(jié)，讓美軍處理此類工程技術(shù)難題更加棘手。

改裝一架運輸機(jī)尚且如此困難，更不用說重新研制一款水上飛機(jī)了。目前，美國新一代水上飛機(jī)發(fā)展前景并不明朗，面臨高額研發(fā)成本、飛行速度與運載航程難以兼顧等難題，最終能否試飛成功，我們將持續(xù)關(guān)注。