气水动布局创新，大型水陆两栖飞机的关键技术

秦何军　黄领才

我国首款大型水陆两栖飞机AG600既可在陆地机场上起降，也可在合适的开阔水域起降，气水动布局特殊，其使用模式灵活多样，环境适应性强，兼具陆基飞机与水上飞机的多种优势，因而其在国民经济发展中起到特殊的重要作用，被称为“能飞翔的轮船，会游泳的飞机”。

从气水动布局设计方面来看，AG600飞机既要按照陆基飞机的起降模式，使用起落架系统来完成陆上起降，同时还要按照水上飞机使用船体滑行的模式，来完成水上起降，而这两种起降模式的气动与水动特性存在着明显差异，这两种模式必须合理恰当地融合在一起，才能满足水陆两栖飞机的多种使用需求。目前，低速的船舶水动力与常规的陆上飞机空气动力学理论比较成熟，试验手段较为真实，预测精度较高，而高速水动力研究相对较少，理论基础较薄弱，如果再将空气动力学理论叠加在一起，来完成飞机在水上起飞/降落过程中的气水混合与耦合特性的分析，无疑将给气水动布局设计带来严峻的挑战。同时，飞机的船体外形难以按照气动外形设计要求进行减阻优化，而在具备船体的机身上设计能容纳起落架系统的整流罩，设计功能合理的机头与机身舱内空间，也是气水动布局设计的一大难题。如果协调不好全机气水动布局的设计，不仅会明显增加飞机的结构重量，同时也难以保证其设计功能的完整性和适用性。在这种复杂的构型设计中，既要满足飞机既定的功能与性能设计需求，还要满足严酷的重量设计指标，必须要在气水动布局设计中采用新思路和新方法，才能在矛盾中找到解决问题的设计方案。

为了满足AG600飞机的总体设计要求，在气水动布局设计中，设计团队大量采用了系统工程设计方法和气水动布局综合优化设计技术。在气动外形的总体布局设计、翼身组合体气水动布局的一体化设计、高升力机翼/襟翼/动力装置的综合优化设计、机身/船体气动外形的综合优化设计等核心设计中大胆创新，通过多方案权衡迭代与优化，气水动特性影响因素的建模与综合分析优化等关键技术攻关，圆满完成了AG600飞机的气水动布局设计任务，达到了顶层设计要求。

在AG600飞机的气动外形总体布局设计中，通过对顶层需求的梳理与分解，形成了完整严密的飞机气水动布局顶层设计要求。为了在诸多形式各异的总体构型中优选出最合适的总体布局，在飞机概念定义阶段，进行了大量的基础构型选型论证研究。从翼身组合体的布局形式、尾翼的多种布局形式、起落架布局形式等方面展开了全方位的权衡研究；同时，在集成现有大型水上飞机设计优点的同时，更加深入细致地分析了其他水上飞机在使用中出现的问题，对总结出来的问题进行研究，并将研究结论融入AG600飞机总体气动布局的设计之中。同时在设计中还充分考虑飞机结构设计、系统安装、使用维护、制造及运营等方面的因素，优选出最佳的总体气动布局。在AG600飞机的气动布局设计中，创新更多体现在对飞机总体气动设计的设计方法中，通过使用先进的设计方法和手段，提高了飞机总体综合设计能力，也形成了优良的总体设计方案。

在AG600飞机翼身组合体气水动布局的一体化设计中，其最关键的问题在于如何优化机翼/机身/船体/船体断阶几者之间的气水动设计关系，优化机翼与船体断阶的最佳相对位置，并与全机重心范围合理匹配，最终得出最合适的气水动一体化布局。为此，设计团队通过使用理论分析、数值模拟等手段对陆上构型的起降特性进行精确分析，全面掌握陆上起降的气动特征，通过水动力试验，掌握飞机水面滑行起降的典型工况及滑行特点；同时在分析两种不同起降模式对机翼/断阶位置的设计需求后，结合理论设计方法，利用前期研究中所获得的大量气水动分析与设计数据，完成气水动布局综合优化设计平台的搭建与优化设计模型的建立，最终在满足两种不同起降模式的多种要求中，实现了飞机翼身组合体气水动布局的一体化设计，形成了最佳的飞机翼身组合体气水动布局设计方案。

为降低AG600飞机在水面起降时的水载荷，提高飞机的抗浪能力，尽可能缩短飞机的水面滑行距离，同时为了优化飞机在高空高速巡航和低空低速搜索巡航时的气动特性，需要对飞机的机翼/襟翼/动力装置进行综合优化设计。在巡航构型中，针对机翼的巡航阻力和力矩特性进行设计优化，在起降构型中，综合考虑利用螺旋桨滑流增升，对机翼和襟翼以及短舱构型进行一体化优化设计。充分运用理论分析、工程建模与估算、数值分析评估和风洞试验等手段，在全面考虑各种飞行工况需求的基础上多方案权衡优化，形成了具备良好的高低速巡航特性的机翼构型，及具备较高最大升力系数的襟翼增升系统方案，实现了机翼/襟翼/动力装置的综合优化设计，提高了飞机的气动性能。

为尽可能减小飞机水面滑行时的喷溅、优化机身/船体的阻力，还针对机身/船体进行了气动外形的综合优化设计。通过数字化建模将底部的船体与上部的机身外形进行融合设计，综合考虑气水动性能、船体喷溅特性、机头/客舱容积、起落架布置等多方面因素，进行多轮的方案迭代与综合优化分析，评估机身外形对各种设计要求的影响，最终完成了满足综合性能最佳的机身/船体外形设计。

AG600飞机气水动布局设计是大型水陆两栖飞机独具特色而又十分关键的核心设计工作，是保证整个飞机的设计取得圆满成功的基础，能最大限度地提高飞机的综合性能。

AG600飞机高效的气水动优化设计与创新，不仅保证AG600飞机在起降和巡航飞行中获得最佳的气水动性能，使飞机的功能得以完整的实现；而且对促进项目的顺利开展，保证飞机具备较高性能和设计水平奠定了坚实的基础，为项目最终的成功起到了决定性的作用。

通过AG600飞机气水动布局的设计与创新，不仅满足了大型水陆两栖飞机的顶层设计需求，锻炼了一支高水平的设计团队，还为提升我国大型水陆两栖飞机的灭火和救援任务能力提供了一个高性能的平台，不仅填补了我国大型水陆两栖飞机研制领域的空白，也提高了我国大型水陆两栖飞机研发的综合实力。