前不久，美国国防部高级研究计划局（DARPA）公开发布信息，美军正在研制“自由升降机”全新重型水上飞机项目，其外形尺寸与C-17运输机相当。
重启水上飞机研制项目，实属无奈之举。2021年，DARPA就曾公开宣称，研制运载能力超过100吨的重型远程地效飞行器。但受跃升和转向等关键技术影响，美军不得不将地效飞行器项目降级，重启运载能力稍弱、研发难度更低的水上飞机项目。
美军为何会放弃地效飞行器转而研制水上飞机？地效飞行器研制到底难在哪？请看本文解读。
美研制水上飞机计划前途未卜
■沈业宏 安俊斌 李训
消防型水上飞机参与灭火作业。资料照片
“自由升降机”全新重型水上飞机概念图。资料照片
船机一体，地效飞行器曾是美军首选
1932年，波罗的海海域上空阴云密布，一架德国飞机穿梭于云层之间，突然发动机停车，一场航空事故似乎无法避免。然而，当飞机降落到离海面仅有10米高度时成功“刹车”，贴着海面继续飞行，最终安全着陆。
事后，科学家研究发现，当飞机飞行高度不超过翼展长度时，会产生一种神奇的科学现象——“地面效应”。这种效应能够减少飞行阻力，增加气动升力，通过气流把整个机身托起来、贴着水面飞行。
20世纪60年代，苏联阿列克谢耶夫设计局利用这种科学现象，研制出世界上第一架地效飞行器试验机，它的外形既像飞机又像舰船，能够贴近地面或海面飞行和自由起降，搭载100吨的货物飞行2000千米，最大巡航速度可达550千米/小时，兼具飞机和舰船的优点特性，具有良好的军事应用前景。
地效飞行器项目曾被苏联军方高度保密，直至20世纪80年代，这个“庞然大物”在里海上空飞行试验时，才被美国卫星捕捉到，冠以“里海怪物”之名。
与传统飞行器相比，地效飞行器有以下3个优点：
一是飞行速度快。地效飞行器能够借助水面起降，巡航飞行时不会与水面直接接触，大大减少了飞行阻力，飞行速度比一般舰船的航速高出10多倍。
二是突防能力强。地效飞行器可综合运用各种隐形技术，降低雷达、红外等物理信号特征，顺利越过专为登陆艇、气垫船设置的垂直障碍，快速突袭敌方目标。
三是保障效益高。地效飞行器容量大、运输效率高，在没有港口、码头的特殊情况下，可以一次性运送数百名士兵和数辆装甲坦克，快速完成物资保障，运输成本也低于普通飞机。
未来战场上，地效飞行器的发展潜力很大，能够广泛应用于登陆机降、运输补给、反舰反潜、扫雷布雷和侦察巡逻等军事任务，是名副其实的海陆空三位一体的高科技飞行器。正因如此，美军在此次宣布研制重型水上飞机之前，最属意的是运载能力超过100吨的重型远程地效飞行器。
应用受限，地效飞行器贴海飞行问题亟待解决
作为苏联重点研究的武器装备，“里海怪物”地效飞行器共制造了2艘。
1969年，在一次飞行试验中，受海面恶劣气候影响，“里海怪物”地效飞行器失控坠海。11年后，完成修复的“里海怪物”再次发生飞行事故——由于飞行员操作失误，飞行器不慎触水解体。
两次事故并非偶然。实际上，地效飞行器操作难度很大，地面效应是优势也是桎梏。为保持地面效应提供的升力效果，大多数地效飞行器必须贴海飞行，飞行高度一般不会超过30米。在这种高度下，以500千米/小时的速度快速飞行，风险是显而易见的。与地面相比，水面波动导致传导振动更强，一旦遭遇狂风大雾，来不及避开波浪，便极有可能发生飞行事故。
如何破解地面效应受限问题，苏联科学家始终没有找到答案，地效飞行器的研制工作被迫搁置。苏联解体后，“里海怪物”也宣布退役。
自地效飞行器诞生以来，美、英等国也都多次尝试过研发生产。21世纪初，美国波音公司曾研制过一款“鹈鹕”地效飞行器。如同其名，无论是外形尺寸还是装载能力，“鹈鹕”远超当时世界上最大的运输机安-225。不过，这样好高骛远的研制计划，已经超出当时的科技水平。没过多久，“鹈鹕”地效飞行器项目被迫下马。
地效飞行器到底有多难造？
作为“飞机+船”的组合产物，制造地效飞行器远不是技术叠加那样简单，必须兼顾水动和气动两种性能。这不仅要求掌握高精度密封铆接技术、对接数字化定位技术等，还需要实现数字化柔性工装及激光跟踪仪测量，技术难度可想而知。
虽然地效飞行器具有飞行距离远、运输效率高等优点，但在今天看来，机动性能十分有限。“里海怪物”地效飞行器的转弯半径长达8000米，想要保持稳定控制非常困难。此外，地效飞行器难以适应复杂海况条件、距离水面过近不利于避让障碍物等缺点，限制了其在军事领域的发展。
总而言之，研制地效飞行器必须解决跃升、转向等关键性技术难题，但这并不容易，需要投入大量科研人力和财力。
方案折中，重型水上飞机研发难度依然不小
如果说地效飞行器的失利给俄罗斯关上了一扇门，那么水上飞机的成功则打开了一扇窗。
得益于研制地效飞行器的技术积累，俄罗斯的水上飞机技术在世界上处于领先地位。2003年莫斯科航展上，别-2500水上飞机模型机一经亮相，便引起世人关注。别-2500最大载重高达1000吨，相当于10架美军C-17运输机总和。
此举引发连锁反应。美国海军陆战队、海军、海岸警卫队近年来曾公开表示，需要一款性能出众的水陆两栖飞行器，在不依赖港口和跑道的条件下快速完成兵力投送。
按照美军设想，“自由升降机”外形与大型飞艇相似，尺寸和载重与C-17运输机相当，能够运载90吨货物，在浪高2.5米的海况下完成起降，既能在离地不到30米的高度长时间贴海飞行，也可以爬升至3000米的云端，以远超过现有水上飞机的飞行速度执行远程战略和战术运输任务。
这是一个极具挑战的指标。现役水上飞机别-200、US-2等，运载能力普遍不高，这与“自由升降机”没有可比性。
在“自由升降机”研制过程中，美国通用原子公司和极光飞行科学公司选择了截然不同的设计方案。从概念图上看，通用原子公司研发理念十分超前，不仅采用了罕见的双机身设计，增强“自由升降机”的运载量和抗风浪能力，还选择了与传统运输飞机和水上飞机差异较大的中翼设计。
传统运输机上翼或下翼设计，能够避免挤占舱体运载空间，最大程度实现空间利用、降低研制成本。而水上飞机大多采用上翼设计，主要是为了尽量抬高机翼，以削弱海浪撞击。这一做法同样存在弊端：机翼抬高会减少地面效应带来的升力增益，机翼高度越大，性能差距也就越明显。
为解决这一问题，美国通用原子公司选择在机翼后侧分散布置12台涡轮螺旋桨发动机，借助机翼遮蔽发动机，减少海浪冲击带来的影响，获得最大的升力增益。与之相比，美国极光飞行科学公司的方案就要常规得多，更接近传统飞艇，采用单机身、上单翼布局，拥有8个航空发动机。
对于这两种方案，美国军方态度更为谨慎。从目前情况看，美军选择了一条比较稳妥的路线——放弃纯粹的地效飞行器，而是在水上飞机的基础上融合地效飞行器的特点。
即便如此，“自由升降机”仍不可避免要遭遇水上高速滑行、起降、海浪撞击等一系列问题。大型军用运输机，机身内部开阔是鲜明优势，但这与水上飞机的飞行安全发生冲突——为了形成足够的浮力，水上飞机的内部空间要尽可能的分割化和密闭化。这样即便少数隔舱进水，其他隔舱依然能够提供足够浮力，避免飞机沉没。此外，“自由升降机”的飞行高度，也极大限制了运载能力，在飞机起飞脱离地效高度后，将没有足够的升力维持飞行。
其实，美军早就计划重启水上飞机项目。2021年，美军特种作战部队希望通过加装浮筒的方式，将“大力神”运输机改装为水上飞机。这种改进方式太过仓促，随着浮筒和船身吃水深度加大，水上飞机起飞阻力也急剧增加，很难实现安全起降，更别说应对突发海况了。
从水上飞机到地效飞行器，再到水上飞机，一切似乎又回到了起点。几十年技术脱节，让美军处理此类工程技术难题更加棘手。
改装一架运输机尚且如此困难，更不用说重新研制一款水上飞机了。目前，美国新一代水上飞机发展前景并不明朗，面临高额研发成本、飞行速度与运载航程难以兼顾等难题，最终能否试飞成功，我们将持续关注。
