学文网除了海事和海洋防务，水陆两栖飞机，尤其是超轻型水陆两栖飞机与老百姓最为亲近。在私人飞机盛行和湿地资源丰富的国家和地区，超轻型水陆两栖飞机由于其成本低廉、使用方便以及充满奇特美感的外形普遍受到人们欢迎。超轻型水陆两栖飞机的基本设计原理与大型水陆两栖飞机并无过多差别，但是由于其“超轻型”的特质，从而具备很多特殊的设计特点，这也将是本文要重点介绍的内容。
很多国家为了鼓励通用航空的自由发展，对私人或私营企业制造的小型飞机都不再要求通过严苛且代价巨大的专业适航审定，而是颁布了各种特殊适航许可(special airworthiness certificates)或设计标准，尤其对起飞重量仅几百千克的超轻型飞机更是给予了***策上相当大的宽容。超轻型水陆两栖飞机的船身和浮筒需要满足水面航行和起降时应有的水密性、抗冲击性、稳定性等要求，但由机重量所限，上述许可和标准往往还会有针对性的进一步放宽。
各国一般对超轻型飞机定义为单发、乘员总数在3个以内，但在重量界定上不尽相同，在失速速度限定上也有所区别：欧洲航空安全局(EASA)颁布的“甚轻型”(very light)飞机适航条例要求起飞重量在750千克以内；美国联邦航空条例(FAR)定义的轻型运动飞机(LSA)要求起飞重量在600千克以内，而水陆两栖飞机可放宽至650千克，这一数值也成为很多型号的设计最大起飞重量；澳大利亚民用航空条例对自制飞机的起飞重量规定不得超过544千克，同样对水陆两栖飞机放宽至614千克。上述条例都规定飞机失速速度必须低于45节(83千米/小时)。超轻型飞机最著名的设计标准是加拿大***颁布的DS-10141E，它对水陆两栖飞机起飞重量和失速速度的上限定为560千克和39节(72千米/小时)，我国民航总局也参考它制定了有关超轻型飞机适航审定的咨询通告。上述条例规范中对超轻型飞机起飞重量和失速速度的限制导致设计出来的飞机必须具有较好的低速巡航和停车滑翔性能，事实上通过飞机总体设计参数的限定无形中降低了飞机驾驶的难度也提高了超轻型飞机的飞行安全性。
最极端的条例是美国联邦航空条例FAR-103部规定的超轻型飞行器(ultra vehicles)空重上限，即著名的空重115千克标准。此外该条例还规定燃油量不得超过5加仑，失速速度不高于24节(44千米/小时)。事实上，如果仅仅制造一架简易的单人超轻型飞机，这一标准还是容易满足的，但是性能也仅仅能达到“飞着玩”的水平。然而，即便是单座的超轻型水上或水陆两栖飞机，空重也难以控制在115千克以内，因此紧接着又颁布了AC-103-7号咨询通告，允许主浮筒、船身和翼尖平衡浮筒额外增重23千克，同时还允许飞机配备额外的救生伞。美国航空爱好者鲍比?巴利按照上述重量标准制造了一架超轻型水上飞机，用他妻子的名字命名为“康妮”(Connie)。“康妮”在设计上虽然采用的是高性能的船身+翼尖平衡浮筒布局，但是简易到了极致――根本没有座舱的概念，驾驶员骑在船身上，完全暴露在迎面来流中，而船身还没有一般轻型双浮筒式水上飞机的主浮筒大。不过，“康妮”的梯形机翼采用了带前缘闭室的抗扭结构，平尾还是全动平尾，这在一般超轻型飞机中还是显得很“前卫”的。
与“康妮”类似的还有美国戴尔?克莱默设计的“拉塞尔”(Lazair)水上飞机,其机翼机身采用了硬铝合金骨架,而尾翼则是非常规的倒V形尾翼。“康妮”和“拉塞尔”并不能被称为真正意义上的水陆两栖飞机，因为它们必须在飞行任务开始前决定是否拆除起落架，因此只能算是水陆“两用”飞机，而不能在一次飞行中实现在水陆之间的起降切换。
由于近十年来大功率无刷电动机、调速装置以及锂聚合物电池在航空模型领域快速普及，它们也初步进入了轻型载人飞行器领域。“拉塞尔”原先采用两台小型二冲程汽油机作为动力，而在2011年利用上述成品航模器材被改装成了电动飞机。当然，即使电力系统的防水措施再好，电动水上飞机的电路安全性仍然值得商榷。
从浮力构件的配置来分类，水上飞机主要被分为四大布局：单主浮筒+翼尖平衡浮筒，双主浮筒，船身+翼尖平衡浮筒，船身+水鳍。二战时，很多巡洋舰和战列舰自带的水上侦查机采用的就是第一种布局。上文提到的“康妮”和“拉塞尔”也可近似看做这种设计。显然，单主浮筒的几何宽度难以提供足够的起落架跨距，其结构布置也难以安排起落架支柱、收放机构和相应的舱室，因此种布局难以开发成水陆两栖飞机，不过也有少量例外。
双主浮筒的布局主要用于将现成的陆基飞机直接改装成水上飞机，当作为水陆两栖飞机使用时必须另设复杂的机轮收放机构。在水面上滑行时，这种主浮筒的前轮可以升起与水面脱离接触，而主轮至少应半埋于断阶之后的轮舱中，其设计难点在于收放机构作动的同时保证浮筒各舱室的水密，而且浮筒结构能承受陆地起降时的冲击载荷。机轮的收放机构一般通过气动元件或伺服电机驱动。
当然对于结构简易的设计，这种复杂的主浮筒并不是必须的。著名的“快银”(Quicksilver-MX)便采用纯粹且简单的主浮筒，而驾驶员可以方便的手动收放和锁定起落架，这完全得益于机身浮筒组件的紧凑安装。不过可以预料这种取巧的设计也将付出一定代价：水面起降稍有不慎就将造成乘员被溅一裤子水。
无论是采用一个还是两个主浮筒，在飞行中无疑都将招致极其可观的空气阻力，而主浮筒本身又是无任何有效装载的死重，因此专门设计的水陆两栖飞机都倾向于采用船身式布局，这也是本文重点讨论的布局。当船身漂浮于水上时，从剖面方向看，具有三个重要的特征点，分别为：重心、浮心、横稳心。前两者分别为重力和浮力的作用点，而横稳心可理解为船身在水面横向倾斜摇摆时的旋转中心。
从直观经验判断，如果希望船身在水面稳定漂浮而不侧翻必定重心不能太高，这也就是为什么船舶往往在船底布置有压舱水甚至配重，而对于水陆两栖飞机的设计这显然是不现实的。从船舶理论来分析，如果船身需要稳定漂浮，并非重心一定要低于浮心，但却必须低于横稳心。船身越肥胖则横稳心越高，稳定性越好，但是这与飞机减阻显然是矛盾的；而水陆两栖飞机的商载和油箱都位于较高的位置，发动机更是“高高在上”，如果不采用额外的浮力构件，根本不可能满足重心低于横稳心的要求，因此水陆两栖飞机单凭船身想要稳定漂浮是不可能的。
船身式布局的水陆两栖飞机一般使用翼尖平衡浮筒来提供在水面倾斜漂浮时的扶正力矩。我国航空爱好者吴征自己设计制造的“***舰鸟”超轻型水陆两栖飞机便属于这种船身+翼尖平衡浮筒布局。“***舰鸟”自2003年首飞成功以来，经过多次改进已经成功飞行近百个起落，虽然完全是私人自己研发的作品，但是确实在我国水上飞机和水陆两栖飞机发展历程中具有不小的开创性意义。
“***舰鸟”采用的是纵列双座式座椅配置，船身瘦长，其目的是为了在发动机功率有限的条件下尽量减小船身的迎面阻力，同时第二个乘员座椅位机设计重心处，单人或双人飞行都对飞机重心前后位置影响很小。采用纵列式座舱布局的还有意大利的“巴甘菲比奥”(Baganfibio)、挪威的“奥姆希德”(Omsider)和法国的“遄塞特”(Transat)-MD3等机型。
其实对于双座级别的超轻型飞机，在座舱布局是纵列式好还是并列式好的问题上一直有争论。并列式座舱布局的主要优点是可以双人共用一套仪表，驾驶员和乘客的前向视野都很好，但宽机身也会使全机气动阻力增加，同样性能下发动机的需用功率相对高出约15%-20%。并列式座舱的超轻型飞机在单人飞行时往往需要在空座上安装配重以调整重心。巴西麦考利夫(Microleve)公司生产的“柯塞里奥”(Corsario)，采用了视野良好的并列式座舱，它具有全封闭式和只带前风挡玻璃的半开敞式两种座舱形式可供选择，但在单人飞行时由于全机重心后移，不得已必须在乘客的右侧座椅上安装沙袋进行重心位置的补偿。
如前文所述的原理，并列式座舱布局的超轻型水陆两栖飞机船身较宽所带来的优点是横稳心较高，漂浮稳定性好，因此只需要较小体积的翼尖平衡浮筒就能满足扶正力矩的要求，这对减小全机气动阻力有些好处。此外宽机身在起飞滑水时还可以提供较大的水动升力，对降低起飞离水速度和提高滑行稳定性都是有利的，这一优点是纵列式座舱布局的瘦长船身所不具备的。为了改善瘦长船身的滑水特性，纵列双座的“奥姆希德”(Omsider)采用了一举两得的舯部浮体设计以局部加宽机身，同时作为主起落架舱；而“巴甘菲比奥”(Baganfibio)也是纵列双座，它采用了更极端的水鳍设计，彻底取消了翼尖平衡浮筒，而且水鳍在飞行时也能提供一定的升力。
必须补充说明一下，在水上飞机和水陆两栖飞机的发展历程中，德国的道尼尔公司以惯用水鳍而著称。这一风格贯穿于道尼尔公司大大小小的设计作品中。在这些设计中，水鳍同时作为浮体、升力面、起落架舱、油箱甚至作为机翼的支撑结构，飞机在水面停靠漂浮时水鳍又是一个良好的临时工作台或登机梯，可以说这一设计概念被道尼尔公司发挥到了极致。
船身式水陆两栖飞机的船身外形设计决定了它滑水时所获得水动升力的大小，尤其在进入较高速度的“断阶滑水”状态时，水动升力承担了绝大部分的飞机重量。船身外形还关系到滑水稳定性和喷溅特性，这对于干舷高度和动力系统高度都较低的小尺寸超轻型水陆两栖飞机来说尤其重要。
船身底部呈现出的弧面在滑行时会产生巨大的吸力，使飞机难以离水，因此必须在船身上安排断阶使得水流分离或掺混空气以破坏这种不利的吸力，但是断阶的位置对船身的滑行稳定性具有举足轻重的影响。一般说来，断阶应当在飞机重心后方一段距离使得飞机在滑水时以略微抬头的姿态“坐”在断阶之前的船底面上，否则滑行时会出现不稳定的“海豚运动”――绕俯仰轴起伏颠簸难以正常起飞。但是断阶在重心之后的这段距离并不是固定在某一值的，根据不同的船体宽度、尾段抬升角等几何形状断阶前后位置会有不同的选择。
断阶造成了船底曲面的突变，其高度约为船身宽度的3%～7%。断阶高度越大将使得船身的离水性能越好，但是船底顺气流方向的曲面的连续性也被它破坏，造成了飞行时空气阻力的显著增加。大多数超轻型水陆两栖飞机都采用制造工艺最方便的简单式断阶，在船身舯部呈现出垂直机身轴线“横向一刀切”的形状，这种形状的断阶造成的空气阻力最大。平面形状为楔形的断阶设计也被广泛采用，这种断阶造成的空气阻力略小些，其最大优势在于允许飞机重心有较大的纵向变化范围同时能够使得起飞离水更加柔和。ATOL-500和海燕(Petrel)采用的断阶更有特点，其断阶的绝大部分高度变化量都是沿船身轴线方向过渡渐变的，更类似一个斜坡，这种断阶使船底的曲面突变程度显著降低，对柔和起飞离水和减小空气阻力也有利。值得一提的是，我国的“***舰鸟”采用的是平面形状为楔形的斜坡型断阶，兼具以上两种较好断阶设计的优势，在水动力学设计上还是比较考究的。
合理的断阶设计使得船身能够稳定滑行，但这只是船身设计的必要条件。
由于超轻型水陆两栖飞机的尺寸很小，螺旋桨距离水面往往很近，很多设计又采用了半开敞座舱，为了避免在风浪中滑水起飞和“暴力”着水降落时激起的水花进入座舱或侵蚀螺旋桨，必须采取一些防溅措施。
为减小水上航行阻力，船身底部横断面亦呈现楔形并一直延伸至船艏，其中心尖劈处的纵向脊线称之为龙骨，两侧边缘称之为船舭。航行时，龙骨“劈波斩浪”，水花沿着船底从船舭向后上方飞溅。为了抑制这种飞溅，可在船舭处设计出向下反弯的防溅条(又称为舭弯)。防溅条不但压住了水花，还像墙一样挡住了水动升力从船舭“泄漏”，在航行速度不同的各个阶段都发挥了有利影响。
多数单发超轻型飞机都选择在翼根中线处高置安装推进式发动机和螺旋桨，这种设计满足了发动机距离水面高度的需要，同时使得发动机架的结构紧凑，机身前段也能设计得更加流线，座舱内震动较小且视野良好。这种布局的唯一缺点是在非设计状态时位置靠后的螺旋桨可能被水花严重侵蚀。为了进一步保护螺旋桨，除了在其前缘包覆金属层，还可以单独设计出挡水的翼面。对于双翼机，一般下翼在上翼之后，这种 “得天独厚”的优势使得下翼很自然的挡住了冲击螺旋桨的水花。对于类似“美人鱼”-M6采用的中单翼、背负式发动机和小直径螺旋桨的设计，螺旋桨桨盘全部位于机翼后缘上方的“干燥”区域也是解决这一问题的有效方案；但是中单翼难以采用超轻型飞机惯用的桁架式斜拉杆，只能设计成类似高性能飞机的悬臂式机翼结构，这将会付出较大的结构重量代价。
翼根后缘安装推进式发动机在结构和气动上都带来了收益，但往往使得飞机“头轻”，重心偏后，这在配载安排上需要予以平衡。上文提到，并列双座的飞机在单人飞行时往往需要在闲置的座椅上安放等效配重；“埃尔坎”将用于设备供电和发动机启动的机载蓄电池放置在仪表板之前的机头设备舱内以调整重心；而“阿文***拉”-2更是在机头设置了一个行李舱和相应的巨大口盖。
有些超轻型水陆两栖飞机沿用了大型水上飞机的水舵设计，用于水面低速航行阶段时的航向控制。水舵浸没在水线下，是面积远远小于方向舵的全动舵面，其位置一般在机身后半段的辅助断阶或尾柱下方；有些后三点起落架的设计甚至将水舵结合在可转向的尾轮结构上。水舵使得水上航行的转弯机动性大增，但也造成飞机地面起降时的擦尾角或地面安全间距明显变小，抬头姿态略微偏大或者起落架着陆变形较大时便会造成水舵触地损坏，因此不少超轻型水陆两栖飞机的水舵设计成可收放的形式。
不过，关于超轻型水陆两栖飞机是否真的有必要保留水舵的设计也没有最终的结论，因为方向舵在水面航行时一般浸没在螺旋桨强劲的滑流里，可以提供足够的操纵力矩使得尺寸娇小的船身完成小半径的水面转弯。因此很多成功的超轻型水陆两栖飞机并没有采用水舵，这也使得水线下的船体呈现出较为“干净”的外形，避免了浅水区水草或水下其他杂物对水舵的缠绕。
为满足很多航空爱好者自行组装与改装的需求，同时避免冗繁的型号合格审定，现在很多厂商开发的超轻型飞机都以套材的形式出售，超轻型水陆两栖飞机当然也涵盖其中。美国试验飞机协会(EAA)便颁布著名的“亲自完成51%工作量”规则，按此规则组装的套材飞机便可注册为试验类轻型运动飞机，当然这种业余制造的飞机只能用于私人飞行，不能用于商业和飞行训练。
由于超轻型水陆两栖飞机的制造工艺肯定高于同类陆基飞机，制造商对船身、浮筒这种硬壳类水密浮力构件往往采取复合材料成品组件出售，机身骨架往往采用硬铝合金管材螺栓连接而不采用合金钢焊接结构，避免私人制造装配时由于经验不足出现结构安全隐患。例如：“超级海燕”套材，其船身、浮筒和机翼主梁等关键部件普遍采用碳纤维材质，模具成型；“阿文***拉”-2套材，其船身和翼尖平衡浮筒都采用传统的玻璃钢工艺，机翼蒙皮采用涤纶帆布也由厂家预先缝制好，除了起落架支柱采用镀镍的4130铬钼合金钢外，所有机身、机翼骨架和发动机架都是淬火时效处理的2024硬铝合金或7075超硬铝合金管材或角材通过航空螺栓连接，无需任何焊接工艺和特殊的工装夹具，其所有铝合金结构件也在厂家进行了高质量的阳极化防锈处理。
作为一直坚持发展水陆两栖飞机的俄罗斯，其别里耶夫系列的各种大中型水陆两栖飞机驰名全球，而用于个人飞行的超轻型水陆两栖飞机也有不少设计作品，最有名的算是切诺夫设计的切-22以及后续发展的切-25/27，不但在俄罗斯和乌克兰使用还以套材的形式远销越南、南非和希腊。切-22虽然是类似大型飞机的双发设计，发动机为两台Rotax-503(50hp)或Rotax-582(64hp)，但起飞重量仍在650千克以内，符合美国的轻型运动飞机(LSA)的定义。它一般作为高性能的双座飞机使用，但实际上座舱内部能容纳四人，发动机的功率也勉强能满足四人乘坐。切-22的机翼采用的也是传统超轻型飞机使用的铝合金骨架+织物蒙皮，机身蒙皮采用的是“三明治”式的泡沫夹心玻璃钢结构。切-22最具特点的是其封闭式翼尖和带辅助平衡浮筒的端板：当飞机静止停泊于水面上，翼尖着水，带辅助平衡浮筒的端板亦插入水中产生浮力，提供扶正力矩；航行速度增大过程中，端板就像水翼艇的水翼一样产生水动升力使翼尖升出水面，此时端板末端的辅助平衡浮筒就能够提供足够的扶正力矩，使飞机从翼尖触水的倾斜状态改出。封闭式翼尖和端板还能够起到类似翼梢小翼的作用，阻挡了翼尖涡的生成，减小了机翼的诱导阻力。
超轻型水陆两栖飞机成本低廉，使用机动灵活，结构虽较同级别陆基飞机复杂但在制造维护上难度并不算太高。目前，超轻型水陆两栖飞机在方兴未艾的通用航空中虽然谈不上绝对主力，但显然是独树一帜长盛不衰的一个亮点。它在技术和用途上的优势以及独特鲜明的航空美感一直吸引着国内外众多航空爱好者与通航企业，相信在通用航空蓄势待发且湿地资源丰富的中国能有一番作为。当然，不仅仅是几百千克的超轻型级别，我们更期待着有更多的大大小小的水陆两栖飞机灵动于中国的水天之界。
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