翱翔海空的百年梦想——水上飞机发展历程

2018-03-07陈光泽

兵器知识 2018年3期

陈光泽

1903年，当莱特兄弟从陆地上起飞，完成人类历史上首次翱翔蓝天的壮举时，一定不会想到飞机也能从水上起降，更不会想到它随后甚至超过陆基飞机主宰了天空几十年。科学的世界就是这么神奇，水上飞机一个多世纪的发展历程，不仅是自身成长的记录，也见证和反映了人类在航空领域的进步和变迁。

水上飞机的萌芽

在莱特兄弟成功试飞的那一年，一名叫威廉·克雷斯的人（具体身世已无法考证）制造了世界上首架水上飞机，当时被称作“飞船”。该机采用了船型的机身设计以实现在水面的漂浮，并没有安装后来被认为是水上飞机标配的浮筒，在随后的试验中因为侧翻而损坏。美国航空工业创始人奥克塔夫·夏尼特曾就水上飞机的研究问题给莱特兄弟写过信，信中专门提到了克雷斯制造的“飞船”：“在我看来，它在结构上有一些独到之处，如果能有一台轻于现用的发动机的话，它实际上是可以飞起来的。”

2年后，在著名律师阿奇迪肯和航空先驱者布莱里奥的赞助下，法国年轻的建筑师加布里埃尔·瓦赞设计建造了一架箱式风筝滑翔机，底座装有一个大型浮筒。1905年6月6日，瓦赞亲自驾驶这架无动力水上滑翔机，在“长剑”号赛艇的拖曳下进行水上起飞试验。虽然结果不尽如人意，但毫无疑问，瓦赞的试验为当时正处于火热初创期的航空界人士打开了一扇全新的大门。人们发现，原来飞机还可以从水上起降，而且似乎可行性更强、安全性更高。莱特兄弟也在1907年的时候用2个浮筒和水翼面组合的简单结构进行了水上动力试验。这样，水上飞机作为一类重要航空器开始萌芽。而瓦赞用高强度的连接装置与大型浮筒相接作为飞机浮力装置的设计也奠定了今天水上飞机的基本架构。

起飞，“鸭子”！

瓦赞的试验吸引了许多业内人士，同时也激励了许多有志青年，同为“法国老乡”的亨利·法布尔就是其中之一。自从目睹了瓦赞的水上飞行试验后，出生于船舶世家的法布尔就开始痴迷于水上飞机研究。从1907年到1909年，他对制造水上飞机所需的水翼面和浮筒等基础性部件进行了深入研究，在1艘名为“飞跃”号的试验船和1辆螺旋桨驱动的小汽车上做了大量实验，这为其后来所取得的历史性成就打下了坚实的基础。

1909年，法布尔开始运用他的理论成果制造飞机。第一架样机装有3个浮筒和3台“安扎尼”发动机，虽然这架样机未能飞起来，但法布尔通过它积累了丰富的飞机制造经验。同年下半年，法布尔制造了第2架样机，其前端有1对舵和2个水平升力面，3个浮筒呈等腰三角形布置，分别安装在机身前部和机翼两侧下方，机翼安装在飞机后部。有点像自行车座的飞行员座椅安装得非常靠前。动力源自一台功率约37KW的气缸旋转式“土地神”发动机和由其驱动的一副螺旋桨，这套动力装置在当时可谓非常先进。

在翼梁和機身主梁上，法布尔采用了新颖的格栅结构，机身主梁蒙有蒙皮，而与飞行方向成直角的翼梁没有蒙皮，这样空气就能顺利通过网格从而减少飞行阻力。机翼的蒙皮材质是粗帆布，要飞行时拉开盖在翼肋上，用弹簧钩钩在每根翼肋的一端；不用时放下钩子，搭在机翼主梁上。这种设计与帆船几乎一样，也从另一个侧面印证了法布尔的出身。

总体上看，这架单翼机具有当时飞机的典型结构，但也比较像船。实际上，这种“既像飞机又像船”的设计源于法布尔最初计划用其参加蒙特卡洛汽艇比赛的想法。据说有一名参赛的竞争者了解到这架飞机的样子后，声称要准备一支大口径滑膛枪，以防止这个“长腿怪物”飞过自己。不过，玩笑归玩笑，虽然法布尔的这架飞机外形比较奇怪，但3个浮筒却非常值得一提。这些凝聚了法布尔心血的浮筒采用了类似于雪橇板的设计，这样不仅能提高水面滑行的稳定性也能为飞机提供一定升力，并且前部浮筒可以人工操纵，这有助于提高飞机的可控性。此外，把胶合板作为浮筒材质能够凭借自身弹性有效吸收飞机起降时带来的强烈撞击和震动。

1910年3月28日上午，此前从未上过天的法布尔驾驶着自行研制的水上飞机，在马赛附近的福斯贝尔河面开始了飞行试验。第一次试飞时，飞机以55千米左右的时速在水面上进行了滑行，但并未离开水面。第二次试飞中，飞机以60千米左右的时速直线飞行了约500米并且平稳降落在拉梅德尔港口，历史上第一架能够起降的水上飞机就此诞生。试飞当天的下午，兴奋的法布尔又邀请了一些政府官员来见证自己的壮举，他两次驾机成功在水面起降，其中一次还作了小坡度转弯飞行，接着在第二天又飞了约6千米。有趣的是，这架飞机被法布尔称作“鸭子”。

浮筒式水上飞机之父

在瓦赞看来，这架具有历史意义的单翼机确实是一个“杰作”，因为突出的贡献，法布尔被后世称作“浮筒式水上飞机之父”。当然，他的故事还没有结束。

法布尔的一系列飞行举动引起了伦敦曼彻斯特飞行比赛的获胜者路易·博朗的注意。可是，当博朗满怀期待地观看法布尔表演时，飞机却在降落时出现意外导致损毁，尽管博朗失去了刚刚建立起来的兴趣，但依然对法布尔的设计赞赏有加。但法布尔并不满意，经过分析，他认为事故原因是飞机的固有安定性过大所致。于是，针对这一问题，他对翼面设计、方向舵的布局等原有设计进行了改进。值得一提的是，这架被撞毁的飞机多年后被复原，至今还保存在法国夏莱-默东空军博物馆里。endprint

1911年3月，在摩纳哥举行的一次重大汽船集会上，法布尔邀请了一位经验丰富的飞行员让·贝居驾驶改装后的飞机进行表演。或许是对水上飞机缺少经验，贝居在第二次降落时太靠近岸边，导致飞机被拍岸的浪涛卷入。从此，法布尔也结束了自己设计制造飞机的工作，但他并未从航空事业中退出。相反，他将所有精力集中在为水上飞机设计制造浮筒上，或许在他心目中，自己始终都是一名船舶设计师，而他在这方面的成就一点也不比研制飞机差。后续许多水上飞机包括1913年在摩纳哥汽船集会上获胜的水上飞机所采用的浮筒均来自法布尔设计。

实用的水上飞机

尽管进行了诸多尝试并取得了大体成功，但显而易见的是，法布尔设计制造的水上飞机仅仅停留在“能飞”的层面，航程很短、高度很低，可以说，开创性意义远大于实用价值。真正让水上飞机完成从试验品向装备转化的是美国人格伦·柯蒂斯。

柯蒂斯最初从事的是摩托车制造行业，莱特兄弟成功上天激发了柯蒂斯的好奇心。在好朋友亚历山大·贝尔（电话机发明者）帮助下，柯蒂斯于1906年研制出美国第一台航空发动机。次年，柯蒂斯和贝尔等航空爱好者创建了美国航空实验协会，并制造出了他们的第一架飞机“红翼”号。

1908年，柯蒂斯给一架双翼滑翔机加装了一台发动机，命名为“六月甲虫”号。7月4日，他驾驶这架飞机以64千米的时速飞行了1.81千米。这一成就使柯蒂斯获得了当年度美国航空俱乐部设立的“科学美国人奖”。受当时潮流影响，柯蒂斯也加入了水上飞机的研发。1908年下半年，柯蒂斯把“六月甲虫”号装在浮筒上制成了名为“潜鸟”的水上飞机，在水上起飞试验却没能取得成功。但他并没有气馁，后续又多次把自己研制的陆基飞机改装为水上飞机用于研究。

1910年，慕名而来的柯蒂斯在巴黎与已经功成名就的法布尔，就水上飞机的问题进行了长时间的探讨，法布尔毫无保留的分享了自己的经验。一年后的1月26日，柯蒂斯设计制造的D型水上飞机在圣迭戈成功完成了水上起降，并被命名为A-1型水上飞机。其较此前传统飞机构型有一项最大改进，就是使用副翼进行飞机的横侧操纵，这比当时主流的靠机翼翼尖卷曲的操纵方法前进了一大步。A-1水上飞机曾创造过载客1人，用时3小时2分钟从亚那波里飞到美尔福德港（180千米）的航程纪录。至此，真正实用的水上飞机出现了！

水上飞机大型化

随着水上飞机实用化的不断发展，特别是柯蒂斯设计制造的水上飞机从密执安湖上成功救起一名迫降的美国飞行员后，人们逐渐意识到，水上飞机具有十分广阔的前景。然而事实却是，浮筒式水上飞机存在停泊时重量全部由浮筒承受的问题，浮筒会根据机身体积重量变大随之变大，并且稳定性、可控性和气动效率都会越来越糟糕。换句话说，浮筒式水上飛机没法做大，这对水上飞机的发展产生了极大限制。于是，柯蒂斯开始考虑一种稳定性更高，与机身更加融合的设计，也就是现在大型水上飞机常用的船身设计。

1912年，柯蒂斯从他设计的一架水上飞机上拆下浮筒，换上了船型机身，不仅有效提高了驾驶水上飞机的安全性，而且改善了乘坐环境，这就是第一架船型机身的水上飞机，也是如今大型水上飞机的主要构型。

随后，柯蒂斯又设计了E型船身式水上飞机、H型双发船身式水上飞机。后者获得了美国海军124架的大订单，成为世界上第一种大批量生产的水上飞机。

水陆两栖飞机

水上飞机虽然是从水面起降，但考虑到维护保养等问题，日常都是停放在陆地上，这就要求具备在陆地上的移动能力。最初采用的办法是在浮筒下方安装临时机轮，下水后再拆掉，但这种方式无疑非常麻烦。柯蒂斯首先在A-1飞机的浮筒上安装了可收放的起落架，简化了下水和出水的步骤，但还无法完成陆地起降。

第一次世界大战前夕，英国索普威斯公司设计的“蝙蝠船”型水上飞机成为世界上首款具备在陆地起降的水上飞机，原因在于，安装在船型机身上的起落架在起降时，较安装在浮筒上的起落架更加稳定可靠。于是，船身式水上飞机开始往水陆两栖飞机方向发展，这也进一步开拓了水上飞机的应用前景。

不断进化的气动性能

就像许多新装备的发展脉络一样，水上飞机起初主要是完善功能，等技术相对成熟后，发展重点开始转向提高性能上。上面提到的世界上首款水陆两栖飞机——“蝙蝠船”还有另外一项重要进步，即采用了V型剖面设计的机腹，并设有断阶和水舵。这样，既可以减小飞机起飞离水时的阻力，又便于在水上滑行，形成了如今水陆两栖飞机机腹构型的雏形。改善的水动气动性能的目的是为了提高航速这一飞机的重要指标，而水上飞机最佳航速表现则集中体现在“施奈德杯”国际水上飞机竞赛中。

◎ 柯蒂斯NC型水上飞机完成了人类历史上首次飞跃大西洋的壮举

雅克·施奈德是法国著名钢铁和军火商施奈德家族的继承人，但他对经营自家产业不感兴趣，却对赛艇和飞行非常热衷。1909年，30岁的施奈德开始学习飞行，不幸的是在一次海上事故中受伤致残，从此再不能驾驶飞机。不过，这并没有影响他对航空事业的兴趣和关心。

1911年，一名法国海军军官参加一项国际竞速飞行比赛，由于缺乏海军专用飞机，只好用陆基飞机代替。施奈德得知此消息后，感触良多，他坚信水上飞机拥有广阔的前景，特别是当时来看，水上飞机是最有希望解决跨洋远距离飞行问题的装备。为了鼓励航空制造业者不断研发具有优良性能的水上飞机，他发起组织了以自己名字命名的“施奈德杯”国际水上飞机竞赛。这项飞行赛事每年举行一次，凡三次获胜的国家即可赢得“施奈德”奖杯。

1913年，在首届“施奈德杯”中，法国的一架“德佩迪桑”型水上飞机获胜，成绩为73.7千米/小时。在此赛事的激励下，水上飞机的性能快速提高。1934年，意大利的马基MC72型水上飞机在当年的赛事中创造了709.209千米/小时的纪录，直到1988年才被打破。

“施奈德杯”极大地促进了飞机的气动力和水动力学方面的研究工作，对水上飞机和陸基飞机的设计都产生了积极作用，如英国在二战中著名的“喷火”战斗机，就是在1931年夺冠的休泼马林S.6B型水上飞机基础上研制成功的。从某种意义上讲，“施奈德杯”就是一部水上飞机进化史。

水上飞机进入发展的黄金时代

战争对技术的进步具有极大的促进作用。一战期间，航空技术得到了长足进步，各类大型飞机开始陆续出现，催生了民用航空运输业。但由于基础设施条件和技术水平所限，航运业的经营范围最初仅限于欧洲大陆，分割几个大洲的海洋，成为进一步发展航运业的天然障碍。即使许多大型飞机已经能够跨越海洋，但机场严重缺乏或是跑道状况不佳的问题仍然大量存在，特别是跨洋飞行的航线中如果没有机场备降，飞行的安全性难有保证。水上飞机的优势慢慢显露出来。

1919年5月，4架柯蒂斯NC型水上飞机从纽芬兰岛的特雷帕湾起飞，经过数次中转，于5月31日抵达英国海港普列茅斯，首次分段飞越了大西洋，全程6 310千米，用时52小时31分。这次跨洋飞行轰动全球，开创了水上飞机的新篇章。1924年4月6日至9月28日，4架道格拉斯DWC型水陆两用飞机，由美国陆军飞行员驾驶，进行分段编队环球飞行。其中2架完成了预期的飞行任务，共历时175天。1927年，英国人艾伦·科巴姆爵士驾驶肖特兄弟研制的“新加坡”号完成了著名的环非洲勘测飞行，全程32 185千米。

一系列远距离飞行行动证实了水上飞机拥有不亚于陆基飞机的飞行和运载能力，加上天然的港口优势，于是前者就成为了远洋航行的最佳选择。20世纪30年代，洲际飞行几乎被水上飞机垄断，横跨大西洋和太平洋的定期客运航班也随之建立起来，水上飞机发展进入黄金时代。

两强并列的黄金时代

虽然法国人开创了全新的水上飞机时代，但水上飞机的黄金时代中却没有他们的身影，取而代之的是英美并列的局面。

经过一战洗礼，“日不落帝国”的水上飞机技术获得了长足进步，帝国航空公司成为当时世界上的航运业巨头之一，到1937年中，帝国航空公司在大英帝国版图内完成了第1 000次飞行。在30年代末，从英国出发每周都有飞往埃及、印度、东非、南非、马来西亚和澳大利亚等地的航班。成绩的取得很大程度上得益于肖特公司生产的“老人星”号水上飞机（也称“帝国飞船”）。该型飞机采用四发单翼布局，可运载24名乘客和2吨左右的货物，最大时速可达322千米。因为“帝国飞船”的优秀表现，著名的克洛伊登机场的航运业务落下了帷幕。此外，帝国航空公司还和肖特飞机公司合作，共同开发子母飞机计划，即在大型船身式水机背上驮一架小型装浮筒的水机，当大飞机飞行到安全高度和速度后，利用弹射发射装置，使两架飞机分离，运载机返回，小飞机继续远程飞行。这种让两架飞机以接力方式共同完成远程航空邮政运输的办法，在当时也算是一种创新。

身临两大洋的美国在跨洋航运上的需求也非常旺盛。1927年，曾独自飞越大西洋的林白担任美国泛美航空公司顾问，他力求在美、英两国航空公司之间达成一项飞越大西洋的通航协议。1936年1月，英美两国签署双边协议，规定：美国泛美和英国帝国两家航空公司可以使用水上飞机提供跨越大西洋的航班服务。而在此之前的1935年4月，泛美航空公司赢得了美国政府经营跨太平洋航空邮运的合同。支撑跨两洋飞行的水上飞机称作“飞剪”，包括3家制造商的4种飞机，分别是西科斯基公司的S-40和S-42、马丁公司的M-130和波音公司的B-314 ，共25架。其中，B-314为当时世界上最豪华的跨大西洋飞行客机。它分为上下两层，共9个机舱，可载客74人，外加10名机组成员，夜间飞行时，可以设置36～38个卧铺，甚至配有餐厅和化妆室。

当然，说到大型水上飞机就不能不提德国道尼尔公司研制的Do.X，它是当时世界上最大的水上飞机，机翼上方分6组背靠背地装12台活塞式发动机。1929年10月曾创造一项载169名乘客飞行的世界纪录，这一纪录随后保持了20多年。到1930年2月20日，Do.X的试飞宣告完成，共进行71次起落，累计飞行37小时，交付德国航空研究院验收。可是，一周后美国华尔街股市崩盘引发的世界性经济危机使其只生产了3架，虽然其中1架在1931年8月27日完成了从德国到美国纽约的洲际飞行，但并未投入运营。1935年5月，Do.X移交给德国柏林飞行博物馆珍藏。1943年11月，英国轰炸机的一枚炸弹直接命中了Do.X，结束了这个当时世界最大水上飞机的传奇。

水上飞机的衰落

水上飞机的飞速发展有人们当时主观上对航空器的巨大需求，但更多的原因还是客观条件所致。一方面，在飞机发展之初，陆地机场的数量较少并且条件不够完备，而大片的水域和码头成为水上飞机的天然起降场所，不需要大费周章的进行修建和维护；另一方面，早期的陆基飞机性能并不比水上飞机强多少，但舒适性和安全性较水上飞机存在一定差距，尤其是需要经过远距离的海洋而中间又没有适当的机场能够停留加油的航线上，水上飞机能够利用没有陆上机场的岛屿或者是船只进行中途加油与整补。

不过，水上飞机也存在机身结构重量较大、航速较慢、抗浪性能要求高等固有缺陷，这些问题在二战后期陆基飞机性能不断提升和陆地机场条件不断完善的情况下，显得愈发突出，特别是喷气式飞机和舰载直升机的出现和快速发展使水上飞机的优势开始逐渐消失。例如美国发展的H-4“大力士”型喷气式水上飞机是迄今为止世界上最大的水上飞机，装有8台发动机、重达181吨，但这个比安-225运输机还大的“巨无霸”在试飞中的表现却不尽如人意，船型机身严重影响了气动效率，未能获得一架订单。H-4折射出当时水上飞机的尴尬局面，渐渐地，军用水上飞机开始淡出，民用水上飞机的主要用途则从运输方面转到救护与消防上，

据不完全统计，上世纪30年代前后各国的水上飞机型号至少有650余种，但二战结束后到七八十年代，仍在发展的水上飞机计划只有不到10个（不包含旅游观光行业的小型水上飞机）。但衰落并不等于衰亡，水上飞机在某些特定场景下的作用仍然拥有较好表现，这也注定了拥有复兴的那一天。

水上飞机的复兴

经历了数十年的衰退，水上飞机在日本迎来了复兴。日本拥有丰富的水上飞机制造经验，二战期间曾发展了十几种水上战机。战后，由于《和平宪法》所限，日本在发展军用飞机上有点束手束脚，恰好水上飞机与国家地理环境特点十分吻合，于是顺理成章地开始发展水上飞机，用于水上救援和反潜巡逻。

1967年，日本PS-1水上飞机进行了首飞，拉开了水上飞机复兴的大幕。随后在此基础上发展了US-1和US-2水上飞机，突破了高抗浪性、低速情况下良好的操纵性和窄轮距情况下良好的地面起飞降落滑行稳定性等一系列关键技术问题，大大推动了水上飞机现代化的发展。

俄罗斯一直没有放弃发展水上飞机，别里耶夫设计局不断有新产品推出。1980年代末研制成功的A-40“信天翁”水陆两栖飞机是世界现役最先进的大型喷气式水陆两栖飞机，它融合了现代化的新设计概念、先进的技术和水陆两栖飞机领域里的最新研究成果，在气动效率、水动性能、飞行性能、重量特性、经济性等方面都取得了长足的进展，创下了14项世界同级水上飞机的纪录，最大飞行速度已接近同类陆上飞机的水平。到了90年代，俄罗斯又先后研制成功了别-200多用途水陆两栖飞机、别-103轻型水陆两栖飞机和“澳洲野狗”多用途轻型水陆两栖飞机，形成了相对完整的水上飞机谱系。