美军探索全新重型水上飞机项目，水上飞机“做大做强”有多难？

近日，根据美国国防部预先研究计划局（DARPA）发布的公开信息，美军目前正在探索名为“自由举升机”（Liberty Lifter）的全新重型水上飞机项目。

根据DARPA的公开信息，“自由举升机”被规划为一种尺寸级别与货物运载能力都很大、相当于C-17运输机的重型水上飞行器，同时具备低成本特性。

这是一个极具挑战的指标，因为现役水上飞机，比如别-200、US-2等，最大起飞重量普遍仅40吨左右，载重在11或12吨——运载能力与C-17这样最大起飞重量接近300吨、最大载重近80吨的大型陆基飞机没有可比性。

“自由举升机”被要求能充分利用地面效应，能够在不依托地面基础设施或者大型船舶平台的情况下，执行远程战略和战术运输任务。

在使用性能上，“自由举升机”要求能在4级海况（浪高1.25~2.5米）下完成起降，能在5级海况（浪高2.5~4.0米）下进行水上操作。同时它被要求既能在地面效应区域内进行长时间的贴海飞行，又能够脱离地面效应区域、爬升到并维持10000英尺（约3048米）高度飞行。

“自由举升机”项目目前规划了两个阶段：

第一阶段的合同包括6个月的概念设计工作和9个月的设计成熟期，主要完成初步设计审查，此外还有3个月时间，用于制造规划和测试、演示规划审查。

这一阶段主要用于研发概念原型机，其关注重点是操作需求和操作概念。

如果第一阶段推进顺利，“自由举升机”项目会在2024年中期过渡到第二阶段。第二阶段的重点工作是继续推进详细设计，并完成全尺寸样机的制造和演示，将“自由升降机”从概念阶段推进到实际任务操作阶段。

目前已有两个演示团队组合参与了“自由升降机”的原型机研发。第一个团队是通用原子公司与海事应用物理公司的组合，第二个团队是极光飞行科学公司、“吉布斯·考克斯”公司（从事船舶与海洋工程）、“侦察工艺”公司（从事特种船舶设计和操作训练）的组合。

通用原子公司的项目概念图。

从概念图上来看，通用原子团队提出的布局方案相当激进，与任何一种传统的水上飞机或者地效飞行器的设计都差异较大，不仅采用了罕见的双机身设计，也采用了运输类和水上类飞机中非常少见的中翼设计。

传统运输类飞机多用上翼或者下翼的核心原因之一，是连接两侧机翼主承力结构的位置，如果能与机身上、下表面重合；则能够避免相关结构穿越、挤占机身内部的舱体运载空间，并最大程度地降低性能代价和研制成本。

而水上飞机多采用上单翼的另一个主要原因，则主要是为了能尽量抬高机翼以避免、削弱海浪的撞击，尤其是撞击动力系统——比如螺旋桨下半幅导致的事故。但机翼的抬高会在一定程度上损失地面效应带来的升力增益；特别是越大型的水上飞机，其机身高度越大，上翼与中翼的高度差很可能会带来非常显著的性能差距。

通用原子方案的动力系统设计，是其采用中翼设计的底气来源。它在机翼上表面的靠后侧分散布置了12台涡轮螺旋桨发动机，推进式螺旋桨在发动机后侧。这种设计的意图相当明显——针对海浪使用机翼遮蔽发动机，并获得最大的机翼增升效果，同时机体可容忍的发动机损失数量也能够得以提高。

极光飞行科学方案的概念图。

与之相比，极光飞行科学团队提出的方案就要常规得多。它采用了单机身、上单翼、高置T型尾翼的布局；8台涡轮螺旋桨发动机，布置在机翼的内侧。

在2021年，DARPA就公开宣称要研发运载能力超过100吨的重型远程地效飞行器。看航空曾发表相关分析文章。

苏联研发的地效飞行器KM。

从目前的信息看，DARPA应该是选择了一条妥协性的道路——放弃纯粹的地效飞行器路线，而是优化水上飞机的设计，使其部分具备地效飞行器的优点；在较低的海况下，能较为充分的利用地面效应，实现载荷航程能力的优化、以及更好的借助远程雷达的地平线后盲区进行活动。

别-200水上飞机。

US-2水上飞机。

但即便如此，依然有大量的问题非常棘手。水上飞机不可避免要遭遇水上高速滑行、起降、撞击海浪等一系列问题；从机身的下表面外形（带断阶的船型底部）到机体结构（强度非常高的多水密隔舱），都要进行高度趋近于高速舰艇的特殊设计，重量和飞行阻力代价非常惊人。特别是随着浮筒和船身吃水深度的加大，水上飞机起飞时的阻力会急剧增加；中大型飞机在水上满载起飞的难度和成本，远远高于陆基飞机。

正是由于这些因素的影响——特别是飞机越大越重，这些因素带来的负面影响就越严重，中大型水上飞机普遍遭遇了成本高昂、但飞行速度与高度，载荷与航程等关键性能孱弱的困境。

“自由举升机”项目如果要发展成功，必须直面并较好地解决这些矛盾，而这绝对不是容易的事情。

比如作为大型军用运输飞机，机身内部开阔完整的货舱空间是必不可少的设计基础。但这与水上飞机的生存性能就会形成显著矛盾——为了形成足够的浮力，水上飞机的内部空间，应该要尽可能的分割化和密闭化，即使是少数隔舱进水，其他隔舱依然能提供足够浮力，避免飞机沉没。

在人类航空史的早中期，水上飞机凭借其不需要地面跑道、可以借助任意较平静水面完成起降的特点，曾在侦察、反潜、援救等军用领域发挥过重要作用。

但随着技术的发展，高等级地面机场设施越来越普及，具备大尺寸飞行甲板的舰艇大规模投入运用，常规起降飞机和直升机性能不断进化，中大型水上飞机迅速失去了竞争力，除在一些特定场景下还在继续发挥作用，辉煌不再。

以“自由举升机”为代表，中大型水上飞机能不能做大做强，再创辉煌？面对各种棘手的工程技术难题，这个问题的答案，还要拭目以待。