民用飛機(jī)水上迫降適航性技術(shù)研究

金 鐳 劉友丹

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

自上世紀(jì)50年代初期多發(fā)噴氣運(yùn)輸機(jī)引入到民用航空領(lǐng)域后，大型運(yùn)輸機(jī)的跨水飛行活動(dòng)越來越普遍。上世紀(jì)60年代開始，世界各國在制訂民用運(yùn)輸機(jī)適航規(guī)章時(shí)，把水上迫降要求作為適航取證的一個(gè)內(nèi)容。國外民用飛機(jī)制造公司（如波音、空客等）對水上迫降的設(shè)計(jì)方法均進(jìn)行過深入的研究與試驗(yàn)，在其飛機(jī)總體布置、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中均有所體現(xiàn)。國內(nèi)研究起步于70年代后期，某研究所在90年代初建造了500m長的國內(nèi)最長試驗(yàn)水池。新舟60于2004年底申請了水上迫降適航證，2005年初開始試驗(yàn)。ARJ21于2008年初開始進(jìn)行水上迫降適航符合性試驗(yàn)，并已完成大部分試驗(yàn)。

1 水上迫降基本概念

水上迫降：在緊急情況下把飛機(jī)小心地降落在水上，或是強(qiáng)迫著落在水上。

有計(jì)劃的水上迫降：即有準(zhǔn)備時(shí)間的水上迫降。為此需要適當(dāng)考慮配備應(yīng)急設(shè)備，防備在撞擊導(dǎo)致喪失后緣襟翼和吊艙，在同時(shí)增壓區(qū)的機(jī)身結(jié)構(gòu)和外部艙門應(yīng)能承受可能的最大局部水壓力。

無計(jì)劃水上迫降：即無準(zhǔn)備時(shí)間的水上迫降。要求飛機(jī)在最大起飛重量情況下具有近海水上迫降的能力。在不考慮救生筏情況下，飛機(jī)要有足夠的漂浮時(shí)間使乘員進(jìn)入水中。

美國猶他州鹽湖城安全部與密歇根大學(xué)針對應(yīng)急情況水上迫降的306次事故進(jìn)行如下分析：

相對其它一些非正常著陸情況，水上迫降安全程度比較高；

沒有發(fā)生碰撞且撤離時(shí)也是安全的，那么水上迫降成功率超過95%；

可收放起落架飛機(jī)要比固定式起落架飛機(jī)水上迫降成功率高；

上單翼飛機(jī)水上迫降要比其它布局飛機(jī)的成功率低；

在沒有撞擊的情況下，飛機(jī)沉沒是水上迫降致命的主要原因。

真實(shí)情況下，飛機(jī)水上迫降時(shí)減速度很大，會(huì)發(fā)生跳躍、俯沖、“海豚”運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)著水撞擊可能使飛機(jī)發(fā)生嚴(yán)重破壞，最終導(dǎo)致大量進(jìn)水而很快沉沒。分析水上迫降事故案例后發(fā)現(xiàn)沉沒是水上迫降失敗的主要原因。

2 水上迫降主要相關(guān)適航條款和基本要求

以運(yùn)輸類飛機(jī)為例梳理水上迫降相關(guān)規(guī)章要求，涉及主要條款和基本要求見表1。

表1對水上迫降相關(guān)條款進(jìn)行分析和解讀，本節(jié)將對重點(diǎn)要求§25.801逐款進(jìn)行研究。

2.1 §25.801（a）

條款要求：如果申請具有水上迫降能力的合格審定，則飛機(jī)必須滿足本條和§25.807（i）、§25.1411和§25.1415（a）的要求。

本款提出水上迫降的設(shè)備和應(yīng)急出口要求。為了使乘員更為有效地撤離，應(yīng)急出口應(yīng)位于飛機(jī)漂浮狀態(tài)水平線以上某一高度位置。應(yīng)根據(jù)飛機(jī)實(shí)際提供的漂浮逃生時(shí)間和飛機(jī)構(gòu)型及乘員座位數(shù)要求，確定應(yīng)急出口的形式和尺寸。由于救生筏很重，在飛機(jī)內(nèi)快速拖拉或搬運(yùn)困難，所以必須存放在出口附近，以便從出口投放出去。有些飛機(jī)的救生筏存放在機(jī)艙外，投放是在機(jī)艙內(nèi)操縱。遠(yuǎn)距信號(hào)發(fā)射裝置也按如上要求設(shè)置。

表1 水上迫降涉及的主要條款和基本要求

條款驗(yàn)證方法：可以通過水上迫降總體布置來表明對本款的符合性。

2.2 §25.801（b）

條款要求：必須采取同飛機(jī)總特性相容的各種切實(shí)可行的設(shè)計(jì)措施，來盡量降低在水上應(yīng)急降落時(shí)因飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)使乘員立即受傷或不能撤離的概率。

本款對水上迫降飛機(jī)構(gòu)型提出了設(shè)計(jì)要求。本款要求飛機(jī)采用成功的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)提高應(yīng)急撤離概率，如低置機(jī)翼飛機(jī)能幫助承受撞擊壓力，增加飛機(jī)的漂浮時(shí)間，提高生存能力是較佳的總體布置方式。從機(jī)身側(cè)面圖上看，如機(jī)身后部下表面翹曲大，迫降時(shí)后體產(chǎn)生吸力，可能使飛機(jī)第二次著水，使飛機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重破損。尾翼位置應(yīng)足夠高，以避免高能水撞擊。

條款驗(yàn)證方法：可以通過分析計(jì)算（運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析、飛行品質(zhì)和穩(wěn)定性分析和載荷計(jì)算）和試驗(yàn)驗(yàn)證（運(yùn)動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定性模型驗(yàn)證試驗(yàn)和著水載荷測試試驗(yàn)）等方法進(jìn)行本條款適航符合性驗(yàn)證。

2.3 §25.801（c）

條款要求：必須通過模型試驗(yàn)，或與已知其水上迫降特性的構(gòu)形相似的飛機(jī)進(jìn)行比較，來檢查飛機(jī)在水上降落時(shí)極可能的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)。各種進(jìn)氣口、襟翼、突出部分以及任何其它很可能影響飛機(jī)流體力學(xué)特性的因素，都必須予以考慮。

本款要求檢查飛機(jī)水上迫降的動(dòng)態(tài)，并要求考慮能影響飛機(jī)流體力學(xué)特性的各種因素。通過模型試驗(yàn)，分析各種因素對飛機(jī)流體動(dòng)力特性的影響，

條款驗(yàn)證方法：可以通過分析計(jì)算（飛機(jī)水線分析）和試驗(yàn)驗(yàn)證（飛機(jī)漂浮、滲漏特性模型驗(yàn)證試驗(yàn)）等方法進(jìn)行本條款的適航符合性驗(yàn)證。

2.4 §25.801（d）

條款要求：必須表明在合理可能的水上條件下，飛機(jī)的漂浮時(shí)間和配平能使所有乘員離開飛機(jī)并乘上符合§25.1415條所要求的救生船。如果用浮力和配平計(jì)算來表明符合此規(guī)定，則必須適當(dāng)考慮可能的結(jié)構(gòu)損傷和滲漏。如果飛機(jī)具有可應(yīng)急放油的燃油箱，而且有理由預(yù)期該油箱能經(jīng)受水上迫降而不滲漏，則能應(yīng)急放出的燃油體積可作為產(chǎn)生浮力的體積。

本款要求對飛機(jī)水上迫降漂浮特性進(jìn)行計(jì)算，其目的是得到飛機(jī)能漂浮多少時(shí)間和下沉過程中飛機(jī)的姿態(tài)。飛機(jī)水上迫降漂浮時(shí)間應(yīng)大于乘員撤離時(shí)間，以確保乘員能安全撤離飛機(jī)并乘上救生船。

條款驗(yàn)證方法：可以通過分析計(jì)算（應(yīng)急撤離時(shí)間分析、漂浮特性分析）和試驗(yàn)驗(yàn)證（飛機(jī)漂浮、滲漏特性模型驗(yàn)證試驗(yàn)）等方法進(jìn)行本條款適航符合性驗(yàn)證。

2.5 §25.801（e）

條款要求：除非對飛機(jī)在水上降落時(shí)極可能有的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)（如本條（c）和（d）所述）的研究中，考慮了外部艙門和窗戶毀壞的影響，否則外部艙門和窗戶必須設(shè)計(jì)成能承受最大局部壓力。

本款要求分析水上迫降飛機(jī)的外部艙門和窗口在受到水壓力后是否破壞及其影響。飛機(jī)水上迫降時(shí)，由于不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致外部艙門（包括口蓋、天線開口等）部位在著水或滑水過程中承受相當(dāng)大的局部水壓力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，因此要對最嚴(yán)重海況下的最大局部壓力情況進(jìn)行強(qiáng)度分析。

條款驗(yàn)證方法：可以通過分析計(jì)算（強(qiáng)度分析）方法進(jìn)行本條款適航符合性驗(yàn)證。

3 水上迫降適航符合性驗(yàn)證方法

綜上所述，分析研究CCAR–25部中水上迫降相關(guān)適航性要求的符合性方法（見表2）。

表2 水上迫降主要條款符合性驗(yàn)證方法

4 水上迫降適航符合性驗(yàn)證思路

4.1 符合性驗(yàn)證要求

水上迫降要考慮計(jì)劃的和非計(jì)劃的情況，即使不申請非計(jì)劃情況也要考慮非計(jì)劃的水上迫降情況。

計(jì)劃的水上迫降：要求在設(shè)計(jì)重量和重心限制的整個(gè)裝載范圍內(nèi)，飛機(jī)均能很好地實(shí)施水上迫降。此時(shí)需要配備應(yīng)急設(shè)備（§25.1411、§25.1415），并適當(dāng)考慮：在撞擊中喪失后緣襟翼等；增壓區(qū)機(jī)身結(jié)構(gòu)和外部艙門能承受可能的最大局部水壓力；在撞擊中喪失吊艙。

非計(jì)劃的水上迫降：要滿足飛機(jī)有最大起飛重量的近海水上迫降要求。迫降時(shí)飛機(jī)不受到損傷。在不考慮救生筏情況下，飛機(jī)要有足夠的漂浮時(shí)間使乘員進(jìn)入水中。

4.2 符合性驗(yàn)證技術(shù)途徑

水上迫降適航符合性一般采用分析與試驗(yàn)的方法。用模型試驗(yàn)證明其可能運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)、過載與載荷、漂浮時(shí)間以及應(yīng)急撤離的符合性。設(shè)計(jì)模型要考慮動(dòng)力相似性，考慮不同的飛行迎角、襟翼下偏角、試驗(yàn)的不同接水速度、不同的波浪（平靜、順浪、逆浪、斜浪）情況。

要使飛機(jī)在整個(gè)水上迫降過程中能保證機(jī)體結(jié)構(gòu)的完整性和有足夠的漂浮時(shí)間使乘員得到保護(hù)/存活和逃離，應(yīng)開展如下分析研究工作：

研究和確定飛機(jī)水上迫降時(shí)可能的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析和確定載荷情況；

確定飛機(jī)的過載和受力，制定水上迫降程序；

通過研究飛機(jī)構(gòu)型，設(shè)計(jì)控制水線；

進(jìn)行應(yīng)急撤離時(shí)間計(jì)算分析；

通過模型試驗(yàn)與分析進(jìn)行適航符合性驗(yàn)證。

4.2.1 水上迫降的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

分析研究接水飛行姿態(tài)對最大動(dòng)態(tài)沖擊載荷和飛機(jī)接水面動(dòng)壓分布的影響規(guī)律，尋找最佳接水飛行姿態(tài)，以保證飛機(jī)的操穩(wěn)特性，減小接水過程中的沖擊載荷，降低強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。模型設(shè)計(jì)要考慮升降舵、襟/縫翼不同偏角，試驗(yàn)中還要考慮波浪的類型。

4.2.2 水上迫降的總體布置與應(yīng)急撤離時(shí)間

根據(jù)§25.807、§25.1415進(jìn)行應(yīng)急出口和應(yīng)急設(shè)備的布置，分析人員撤離時(shí)間。乘員撤離一般從以下幾方面考慮：將救生筏從存放處取出并運(yùn)到合適的出口、將固定繩系到飛機(jī)上、將救生筏從出口投放出去、救生筏充氣、乘員登船、切斷固定繩。這些動(dòng)作所需時(shí)間與飛機(jī)的內(nèi)部布置、水上迫降設(shè)備的性能和位置、乘員數(shù)目及撤離路線等因素有關(guān)。

4.2.3 水上迫降的漂浮特性

根據(jù)“飛機(jī)總重和水平重心對吃水深度的浮力曲線”可以確定飛機(jī)的姿態(tài)和吃水深度。結(jié)合機(jī)上各出口門檻的位置，可以判斷各種情況下前后極限狀態(tài)時(shí)各門檻距水線的距離。水的滲漏會(huì)導(dǎo)致漂浮姿態(tài)和吃水深度的不斷變化，從漂浮綜合曲線上可以求出漂浮姿態(tài)角和參考水線，即可由滲漏源的位置求出對應(yīng)的壓力及該滲漏源的滲漏水量。

通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證飛機(jī)漂浮、滲漏特性。設(shè)計(jì)模型時(shí)要考慮機(jī)身底部不同的艙段以及破損和滲漏情況。

4.2.4 水載荷計(jì)算方法研究

建立飛機(jī)有限元計(jì)算模型，確定邊界條件，計(jì)算不同情況的重量、重心、不同下沉速度、不同水平速度。并計(jì)算以不同姿態(tài)角入水時(shí)，在靜止水面以及不同波浪的水中，飛機(jī)機(jī)身及機(jī)翼下表面承受的載荷分布。通過水載荷測量模型的試驗(yàn)，按照飛機(jī)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)模型試驗(yàn)所確定的可接受的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，進(jìn)行載荷測試模型試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)考慮波浪的類型。

4.2.5 水上迫降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析

在保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)正常使用的前提下，關(guān)注水上迫降的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，如艙門的開啟方式與不同的密封形式、承受瞬間局部水載荷的機(jī)身后下部或者機(jī)翼的局部（如放下的襟翼）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對可能發(fā)生破損區(qū)域的結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，以延長漂浮時(shí)間。

飛機(jī)水上迫降強(qiáng)度分析從兩方面考慮：一是飛機(jī)的總體強(qiáng)度，即分析飛機(jī)在著水時(shí)是否會(huì)發(fā)生解體等災(zāi)難性破壞；二是飛機(jī)的局部強(qiáng)度，即飛機(jī)在不發(fā)生總體破壞的前提下局部危險(xiǎn)部位是否發(fā)生破損。如果破損，則需給出破損的方式與破損的程度，為飛機(jī)的漂浮特性分析提供滲漏源。

4.3 符合性驗(yàn)證程序

結(jié)合以往事故分析研究，結(jié)構(gòu)破損安全是水上迫降成功的關(guān)鍵。通過模擬飛機(jī)水上迫降結(jié)構(gòu)真實(shí)破損情況，采用模型縮比方法，按傅氏數(shù)相等原則進(jìn)行縮比，取模型比例為λ（模型比例按水池大小而定，盡可能取大），確定模型的下降速度、慣量矩等的比例關(guān)系見表3。

水上迫降動(dòng)態(tài)模型適航符合性驗(yàn)證過程中應(yīng)注意的事項(xiàng)。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鲄?shù)按表3中比例關(guān)系確定，質(zhì)量應(yīng)比實(shí)際的飛機(jī)盡可能低。

模型試驗(yàn)要考慮影響飛機(jī)流體動(dòng)力特性的各種因素。

表3 比例關(guān)系（λ—模型比例）

對機(jī)身底部區(qū)域或底部的某幾段、機(jī)翼/襟翼接頭以及發(fā)房吊掛等部位的等比例強(qiáng)度模擬結(jié)構(gòu)段，進(jìn)行研究分析。

試驗(yàn)時(shí)需進(jìn)行靜水和動(dòng)水兩種狀態(tài)驗(yàn)證。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)當(dāng)模擬各種可能的情況（4級海浪以下），考慮有二次沖擊的危險(xiǎn)。

進(jìn)行“計(jì)劃的水上迫降”試驗(yàn)時(shí)，飛機(jī)總重為最大滑行重量減去用于滑行/起飛/爬升30min消耗的燃油量。在進(jìn)行“無計(jì)劃水上迫降”試驗(yàn)時(shí)，用起飛/著陸失敗的最大的毛重（采用臨界的重量和重心狀態(tài)）。

對計(jì)劃的水上迫降情況，必須考慮以下結(jié)構(gòu)損壞情況：

在撞擊時(shí)喪失后緣襟翼；

增壓區(qū)機(jī)身結(jié)構(gòu)和外部艙門能承受可能的最大局部水壓力；

在撞擊時(shí)喪失吊艙。

無計(jì)劃的水上迫降情況為最大起飛重量時(shí)近海水上迫降，應(yīng)充分考慮如下情況：

在典型的起飛或降落狀態(tài)下，飛機(jī)無準(zhǔn)備時(shí)間的偶然事件；

在適航符合性驗(yàn)證試驗(yàn)過程中，臨界的重量和重心狀態(tài)；

考慮起飛/著陸失敗時(shí)的最大毛重。

5 結(jié)束語

用結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)模型試驗(yàn)研究飛機(jī)水上迫降，可以檢查飛機(jī)水上降落時(shí)極可能的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，了解模型在著水時(shí)結(jié)構(gòu)破損后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和漂浮特性，以及等比例強(qiáng)度模擬結(jié)構(gòu)段的破損大小與著水時(shí)的姿態(tài)、構(gòu)型等關(guān)系，從而可以建立確立飛機(jī)的最佳水上迫降程序。用此程序水上迫降時(shí)機(jī)身底部的損壞會(huì)最小，從而延長飛機(jī)的漂浮時(shí)間。所有這些為民用飛機(jī)水上迫降適航性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供參考依據(jù)。