水陸兩棲飛機(jī)水面起飛性能操穩(wěn)適航技術(shù)研究

蔣 榮 吳 彬

(1.中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035；2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

水陸兩棲飛機(jī)水面起飛性能操穩(wěn)適航技術(shù)研究

蔣 榮1、2吳 彬1

(1.中國(guó)特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035；2.海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

分析了現(xiàn)行適航規(guī)章對(duì)水陸兩棲飛機(jī)水面運(yùn)行的適用要求和不足，并根據(jù)水陸兩棲飛機(jī)水面運(yùn)行特點(diǎn)，從適航理念出發(fā)對(duì)水陸兩棲飛機(jī)水面起飛性能操穩(wěn)適航技術(shù)進(jìn)行了研究，并對(duì)相關(guān)適航技術(shù)的符合性驗(yàn)證方法提出了驗(yàn)證思路，為我國(guó)制定相關(guān)適航標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

水陸兩棲飛機(jī)；適航；水面最小操縱速度；最小安全離水速度；離水操縱速度

水陸兩棲飛機(jī)不僅可以在地面跑道起降，還可以在水域適合的江、河、湖、海上起降和停泊。水陸兩棲飛機(jī)安全性高，飛機(jī)噸位不受限制，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域：在軍事上可用于偵察、反潛和救援活動(dòng)；在民用方面可用于運(yùn)輸、森林消防、海上搜救、環(huán)境監(jiān)測(cè)、空中巡查、航空攝影、旅游觀光等。由于水陸兩棲飛機(jī)具有一般陸基飛機(jī)和船舶不具備的優(yōu)良兩棲能力，近年來(lái)水陸兩棲飛機(jī)在民用方面受到越來(lái)越多的國(guó)家重視。

根據(jù)我國(guó)《民用航空法》第四章民用航空器適航管理規(guī)定：設(shè)計(jì)民用航空器及其發(fā)動(dòng)機(jī)、螺旋槳和民用航空器上設(shè)備，應(yīng)當(dāng)向國(guó)務(wù)院民用航空主管部門申請(qǐng)領(lǐng)取型號(hào)合格證書。經(jīng)審查合格的，發(fā)給型號(hào)合格證書。由此可以看出，民用水陸兩棲飛機(jī)研制必須取得型號(hào)合格證書才能進(jìn)行批量生產(chǎn)，交付客戶使用。目前，我國(guó)頒布的適航規(guī)章對(duì)陸基飛機(jī)性能操穩(wěn)有詳細(xì)的條款要求，但適用水上/水陸兩棲飛機(jī)水面起飛性能操穩(wěn)的條款不多甚至缺少一些相關(guān)要求，為今后我國(guó)民用水上/水陸兩棲飛機(jī)的發(fā)展，必須根據(jù)水上/水陸兩棲飛機(jī)水面運(yùn)行特點(diǎn)制定和完善相關(guān)條款要求。

1 水上飛機(jī)水面運(yùn)行特點(diǎn)

要對(duì)水陸兩棲飛機(jī)水面性能操穩(wěn)適航技術(shù)研究，首先要了解水陸兩棲飛機(jī)水面滑行特點(diǎn)。

水陸兩棲飛機(jī)在水面起飛與在地面跑道上起飛具有完全不同的特點(diǎn)。飛機(jī)在水面起飛時(shí)受到水動(dòng)力、氣動(dòng)力和靜浮力等3種不同力和力矩的共同作用，并且這3種力和力矩隨著飛機(jī)飛行速度變化會(huì)發(fā)生劇烈變化，導(dǎo)致飛機(jī)在水面運(yùn)動(dòng)姿態(tài)也會(huì)發(fā)生巨大變化，使得飛機(jī)在滑行速度范圍內(nèi)，運(yùn)動(dòng)姿態(tài)過(guò)大或過(guò)小都會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的縱搖運(yùn)動(dòng)，即水陸兩棲飛機(jī)在水面滑行時(shí)存在穩(wěn)定范圍，如圖1所示，飛機(jī)在水面以速度V1滑行時(shí)，只有操縱飛機(jī)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)在θ1與θ2之間運(yùn)動(dòng)，才能保證飛機(jī)運(yùn)行安全，一旦超出此范圍，飛機(jī)就發(fā)生大幅度的縱搖或跳躍等危險(xiǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖1 典型水陸兩棲飛機(jī)水面縱向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定邊界示意圖

同時(shí)飛機(jī)在柔性水面起飛過(guò)程中，容易受到波浪和風(fēng)的干擾發(fā)生縱搖，尤其在較惡劣的水面環(huán)境起飛時(shí)，為減小飛機(jī)在水面顛簸和風(fēng)險(xiǎn)，要求飛機(jī)離水速度越小越好。

水陸兩棲飛機(jī)在水面和地面起飛過(guò)程最大不同之處還在于，在水面起飛過(guò)程中，飛行員要時(shí)刻操縱駕駛桿保持飛機(jī)滑行穩(wěn)定，防止飛機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域發(fā)生危險(xiǎn)的縱搖運(yùn)動(dòng)，也就是常說(shuō)的“海豚運(yùn)動(dòng)”，因此，在水面起飛過(guò)程中，飛行員需根據(jù)飛機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行推拉桿操縱。此外，飛機(jī)離水時(shí)沒有抬前輪動(dòng)作，這與陸基飛機(jī)離地操縱的另一重要差別，飛行員主要通過(guò)操縱升降舵改變飛機(jī)離水姿態(tài)使飛機(jī)安全離水升空，因此，CCAR-25-R4《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)陸機(jī)起飛性能要求的條款有很多不適用于水陸兩棲飛機(jī)在水面起飛要求，需根據(jù)水陸兩棲飛機(jī)水面運(yùn)行特點(diǎn)和適航理念和原則制定相應(yīng)規(guī)范

2 現(xiàn)行適航規(guī)章對(duì)水上飛機(jī)的要求

對(duì)現(xiàn)行CCAR-25-R4 B分部飛行進(jìn)行梳理，適用水上飛機(jī)水面起飛性能操穩(wěn)的條款見表1。

表1 水上飛機(jī)水面性能操穩(wěn)適用條款

CCAR-25-R4 B分部條款除表1中所列外，其他條款均根據(jù)陸基飛機(jī)起飛安全要求編制，不適用于水上飛機(jī)在水面起飛滑跑，而這些要求對(duì)飛機(jī)水面起飛性能、操縱性和安全使用都有重要影響，如§25.107“起飛速度”、§25.109“加速—停止距離”、§25.113“起飛距離和起飛滑跑距離”、§25.149“最小操縱速度”。

從適航理念和原則出發(fā)，應(yīng)對(duì)水上/水陸兩棲飛機(jī)在水面起飛過(guò)程中的起飛速度、加速—停止距離、起飛距離、起飛滑跑距離和水面最小操縱速度提出明確的適航要求。

3 適航理念和原則

適航是民用航空運(yùn)輸一次次慘痛的代價(jià)總結(jié)出來(lái)的。從上世紀(jì)30年代人們首次提出適航，歷經(jīng)80多年的發(fā)展，適航得到了世界各國(guó)的認(rèn)可和重視，隨著適航技術(shù)發(fā)展，民用航空運(yùn)輸安全性不斷提高，同時(shí)民用航空工業(yè)得到了快速發(fā)展?？梢哉f(shuō)適航是來(lái)源于公眾利益對(duì)民用航空工業(yè)的需求，同時(shí)民用航空工業(yè)是適航技術(shù)發(fā)展的基石，適航也隨著航空工業(yè)的進(jìn)步而發(fā)展。適航標(biāo)準(zhǔn)是民用航空飛行器安全飛行的最低標(biāo)準(zhǔn)，安全和以人為本是適航的核心理念和原則。

水陸兩棲飛機(jī)作為運(yùn)輸類飛機(jī)中重要成員，在民用方面具有廣泛的用途。進(jìn)行民用水陸兩棲飛機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)，必須滿足國(guó)家相關(guān)適航標(biāo)準(zhǔn)，才能獲得用戶的認(rèn)可和經(jīng)濟(jì)效益。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)水陸兩棲飛機(jī)的需求也非常迫切，水陸兩棲飛機(jī)研制相關(guān)適航標(biāo)準(zhǔn)的不足，制約了我國(guó)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)。因此，根據(jù)水陸兩棲飛機(jī)水面運(yùn)行特點(diǎn)和適航理念及原則開展水陸兩棲飛機(jī)水面性能操穩(wěn)適航技術(shù)研究，完善相關(guān)適航標(biāo)準(zhǔn)非常有必要。

4 水面性能操穩(wěn)適航技術(shù)研究

4.1 適航標(biāo)準(zhǔn)研究

進(jìn)行水陸兩棲飛機(jī)水面性能操穩(wěn)適航標(biāo)準(zhǔn)研究，核心是如何通過(guò)對(duì)飛機(jī)在水面起飛過(guò)程中的重要速度點(diǎn)進(jìn)行約束，確保飛機(jī)在水面起飛過(guò)程中的安全性。盡管水陸兩棲飛機(jī)在水面起飛過(guò)程操縱特點(diǎn)與在地面起飛過(guò)程不同，但是從安全角度考慮，兩者是一致的。

水陸兩棲飛機(jī)在陸地跑道起飛過(guò)程中，關(guān)鍵的是地面最小操縱速度VMCG和最小安全離地速度VMU，如果確定了地面最小操縱速度VMCG就可以根據(jù)§25.107“起飛速度”確定臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效速度VEF和起飛決斷速度V1。確定了最小安全離地速度VMU就可確定離地速度VLOF，通過(guò)臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效速度VEF和最小安全離地速度VMU共同確定抬前輪速度VR。

同樣，水陸兩棲飛機(jī)在水面起飛過(guò)程中，若確定水面最小操縱速度VMCW和最小安全離水速度VMUW，可參考陸基飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)制定水面臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效速度VEFW和離水操縱速度VWOF。理論上確定了飛機(jī)在水面起飛過(guò)程中的各重要速度點(diǎn)，最終通過(guò)加速停止距離、起飛航跡、起飛距離和起飛滑跑距離等科目飛行試驗(yàn)判斷相關(guān)速度選擇的合理性以及對(duì)適航條款的符合性。

4.1.1 水面最小操縱速度VMCW

制定地面最小操縱速度的主要目的是防止飛機(jī)在地面起飛過(guò)程中，飛機(jī)在該速度突發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)失效，飛行員采用正常的駕駛技巧能夠操縱飛機(jī)繼續(xù)起飛，而不至于沖出跑道，并且操縱桿力不超過(guò)667 N。水陸兩棲飛機(jī)起降水域一般為較寬闊河流、湖泊、水庫(kù)和海洋，同時(shí)水流速度對(duì)飛機(jī)橫向偏移也會(huì)產(chǎn)生影響，在制定水面最小操縱速度時(shí)不宜對(duì)飛機(jī)橫向偏移距離進(jìn)行限制，但須根據(jù)飛機(jī)在水面起飛環(huán)境特點(diǎn)，考慮側(cè)風(fēng)的影響。

由上可知，制定水面最小操縱速度應(yīng)考慮飛機(jī)構(gòu)型、可用發(fā)動(dòng)機(jī)功率、重量、重心和90°正側(cè)風(fēng)以及飛機(jī)是否配平等因素的影響。

4.1.2 最小安全離水速度VMUW

水陸兩棲飛機(jī)水面最小安全離水速度對(duì)應(yīng)于飛機(jī)最大的離水姿態(tài)，由于水陸兩棲飛機(jī)在水面滑行時(shí)存在穩(wěn)定范圍，因此，水陸兩棲飛機(jī)水面最小安全離水速度主要受飛機(jī)穩(wěn)定上邊界限制。

水上飛機(jī)穩(wěn)定上邊界受裝載狀態(tài)影響，水面最小安全離水速度應(yīng)考慮飛機(jī)構(gòu)型、重量、重心和推力（單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效）的影響。

4.1.3 離水操縱速度VWOF

水面最小安全離水速度VMUW是飛機(jī)在給定起飛構(gòu)型條件下，主要受飛機(jī)穩(wěn)定上限限制的最小離水速度。實(shí)際飛行員操縱飛機(jī)離水時(shí)，水面最小安全離水速度不能直接用于飛行員操縱飛機(jī)，而應(yīng)該考慮一個(gè)安全操縱余量，因此，有必要定義離水操縱速度VWOF。離水操縱速度VWOF與水面最小安全離水速度VMUW的增量可以參考陸基飛機(jī)，可取105%VMUW。

4.2 符合性驗(yàn)證思路和方法

4.2.1 水面最小操縱速度VMCW

水面最小操縱速度VMCW符合性驗(yàn)證方法與地面最小操縱速度VMC一樣，采用突然將油門收到慢車狀態(tài)確定目標(biāo)最小操縱速度的方法進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，飛機(jī)處于起飛構(gòu)型，機(jī)頭對(duì)準(zhǔn)航道后，將發(fā)動(dòng)機(jī)油門推至最大狀態(tài)，當(dāng)飛機(jī)加速至目標(biāo)速度后，突然將臨界發(fā)動(dòng)機(jī)油門調(diào)整至慢車狀態(tài)。臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效后，操縱方向舵，糾正航向。

水面最小操縱速度飛行試驗(yàn)應(yīng)考慮重量最大的情況，并且應(yīng)在不利飛機(jī)操縱的后重心位置和正側(cè)風(fēng)條件下進(jìn)行。最終表明水面最小操縱速度的符合性，需提供飛行試驗(yàn)航向操縱時(shí)間歷程曲線、方向舵操縱桿力時(shí)間歷程曲線、航向偏離和工作發(fā)動(dòng)機(jī)拉（推）力曲線以及試飛員的評(píng)述。

4.2.2 最小安全離水速度VMUW

水陸兩棲飛機(jī)最小安全離水速度VMUW主要受到飛機(jī)水面起降穩(wěn)定上的限制。在進(jìn)行該項(xiàng)目驗(yàn)證時(shí)，可以通過(guò)水池帶動(dòng)力模型試驗(yàn)或自由飛模型試驗(yàn)，但最終還需通過(guò)實(shí)機(jī)試飛來(lái)驗(yàn)證，模型試驗(yàn)結(jié)果僅作為實(shí)機(jī)飛行試驗(yàn)的一個(gè)參考結(jié)果。進(jìn)行實(shí)機(jī)飛行試驗(yàn)時(shí)，為防止飛機(jī)進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域發(fā)生危險(xiǎn)，應(yīng)根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果選擇合適的離水姿態(tài)和速度，逐步逼近飛機(jī)最小安全離水速度。

水面最小安全離水速度飛行試驗(yàn)應(yīng)考慮水陸兩棲飛機(jī)不同構(gòu)型和水面使用所有重量、重心包線范圍內(nèi)的臨界狀態(tài)。若不同推力狀態(tài)對(duì)飛機(jī)穩(wěn)定上限有影響，還需考慮全發(fā)正常工作和單發(fā)停車兩種狀態(tài)下的最小安全離水速度。

4.2.3 離水操縱速度VWOF

離水操縱速度是申請(qǐng)人根據(jù)最小安全離水速度選定的安全操縱速度，確定最小安全離水速度VMUW后，即可確定。

5 結(jié)束語(yǔ)

大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機(jī)是我國(guó)第一架按照CCAR-25設(shè)計(jì)的飛機(jī)，自立項(xiàng)以來(lái)，水動(dòng)專業(yè)設(shè)計(jì)人員根據(jù)型號(hào)取證需要，開展了大量水陸兩棲飛機(jī)水面性能操穩(wěn)適航技術(shù)研究，多次與適航審查代表溝通，制定了水面起飛性能和水面操縱性兩份專用條件，確定大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機(jī)水動(dòng)專業(yè)適航審定基礎(chǔ)，為其水面性能操穩(wěn)適航工作奠定了重要基礎(chǔ)。

[1] GJB 185-1986 有人駕駛飛機(jī)（固定翼）飛行品質(zhì)[S].

[2] AC25-7C 美國(guó)聯(lián)邦航空局咨詢通報(bào)《運(yùn)輸類飛機(jī)合格審定飛行試驗(yàn)指南》[S].

[3] 鄭作棣. 運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn) 技術(shù)咨詢手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1995.

[4] 陳晨. 民用飛機(jī)飛行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀及思考[J].航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2009年第5期.

[5] 白康明，李巖，張?jiān)矫? 民機(jī)適航審定與標(biāo)準(zhǔn)化[J]. 航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2007年第6期.

（編輯：勞邊）

V271.5

C

1003-6660（2015）01-0036-03

10.13237/j.cnki.asq.2015.01.010

[收修訂稿日期] 2014-07-22