大型水陸兩棲飛機(jī)特殊任務(wù)模式對總體設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)

申蒸洋，陳孝明，黃領(lǐng)才

中航通飛研究院有限公司，珠海 519000

2008年汶川地震發(fā)生后，軍隊(duì)與民航等部門迅速調(diào)集全國航空救援力量，全力開展救援行動(dòng)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在救援階段共出動(dòng)飛機(jī)和直升機(jī) 428 架,實(shí)施抗災(zāi)救援飛行8 277 架次，轉(zhuǎn)運(yùn)和空投救災(zāi)物資22 543 t，轉(zhuǎn)運(yùn)人員66 728 人次。盡管航空救援在地震中發(fā)揮了巨大作用，但依然暴露出中國航空救援體系非常薄弱的事實(shí)。中國航空救援體系的落后幾乎是全方位的，救援裝備數(shù)量太少、性能不足，救援機(jī)型與任務(wù)不匹配，基礎(chǔ)設(shè)施不健全，航空救援體制不完善，缺乏專業(yè)救援隊(duì)伍[1]。

在此背景下，某大型水陸兩棲飛機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。該機(jī)是為滿足中國森林滅火和水上救援的迫切需求，根據(jù)國家應(yīng)急救援體系建設(shè)的整體規(guī)劃而研制的一種大型水陸兩棲飛機(jī)。該機(jī)可在專用水上機(jī)場或滿足條件的江、河、湖和水庫等水域起降，也可在陸上機(jī)場起降。水陸兩棲的特性使得該機(jī)極大地拓展了使用場景，在滿足森林滅火和水上救援需求的同時(shí)，通過改裝任務(wù)系統(tǒng)，可執(zhí)行海洋環(huán)境監(jiān)測、海上巡邏和快速補(bǔ)給等任務(wù)。

相較于陸基飛機(jī)，大型水陸兩棲飛機(jī)的設(shè)計(jì)面臨更多挑戰(zhàn)?？傮w布局需要綜合考慮氣動(dòng)性能和水動(dòng)性能；由于船體的特殊性，不能像陸基飛機(jī)一樣布置起落架；惡劣的工作環(huán)境對全機(jī)腐蝕防護(hù)能力提出了更高的要求；森林滅火和水上救援任務(wù)設(shè)備考驗(yàn)系統(tǒng)集成能力；特殊的任務(wù)模式也是中國型號合格審定工作中面臨的全新課題。在研制大型水陸兩棲飛機(jī)的工程實(shí)踐中，針對這些挑戰(zhàn)給出了獨(dú)特的解決方式。同時(shí)，一些問題還有待進(jìn)一步的研究。

1 需求論證與特殊任務(wù)模式

1.1 森林滅火需求

中國是森林資源大國，森林資源的健康發(fā)展對確保國家木材安全和生態(tài)安全具有十分重要的現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義。中國森林火災(zāi)多發(fā)，1950—2010年間，年均發(fā)生火災(zāi)12 683 次[2]。美國、加拿大等森林火災(zāi)多發(fā)國家由林業(yè)局負(fù)責(zé)全國的森林防火任務(wù)，組建了專業(yè)的航空滅火機(jī)隊(duì)，使用水陸兩棲飛機(jī)、陸基飛機(jī)和直升機(jī)開展森林滅火，取得了良好效果[3]。

中國南方/北方航空護(hù)林總站專門負(fù)責(zé)全國的森林航空消防工作，目前主要使用AT802小型飛機(jī)、MI-26和KA-32等直升機(jī)執(zhí)行滅火任務(wù)。小型飛機(jī)有效載荷相對較小，直升機(jī)飛行速度較慢，且滅火飛機(jī)總體數(shù)量較少，在森林火災(zāi)中起到的作用有限。相較之下，大型水陸兩棲飛機(jī)具有載荷大、可低速飛行、飛行高度低等特點(diǎn)，它能在水面起降、汲水迅速、投水準(zhǔn)確，且續(xù)航時(shí)間長，可以在水源與火場之間多次往返，因此在森林滅火領(lǐng)域可以發(fā)揮重要作用。

1.2 森林滅火任務(wù)模式

森林滅火有兩種任務(wù)模式：汲水滅火模式和注水滅火模式。飛機(jī)在接到森林滅火指令后，可在陸上機(jī)場向水箱注水或火場附近可用水源汲水后飛到火場上空，按照指揮系統(tǒng)的調(diào)度進(jìn)行滅火作業(yè)。汲水滅火模式和注水滅火模式可以組合使用，飛機(jī)首次出動(dòng)時(shí)在機(jī)場注水后起飛，投水后在可用水域滑行汲水，進(jìn)行滅火作業(yè)。

汲水滅火作業(yè)如圖1所示。汲水滅火模式流程如下：① 接到滅火任務(wù)；② 制定滅火方案和飛行任務(wù)計(jì)劃，申報(bào)飛行空域和航線；③ 飛機(jī)起動(dòng)、滑行和起飛；④ 飛機(jī)飛抵火場附近水域；⑤ 滑行汲水，起飛至火場；⑥ 火場上空盤旋觀察，確定投水航線；⑦ 投水滅火，往返汲水滅火或返航。

注水滅火作業(yè)如圖2所示。注水滅火模式流程如下：① 接到滅火任務(wù)；②制定滅火方案和飛行任務(wù)計(jì)劃，申報(bào)飛行空域和航線；③ 飛機(jī)注水、起動(dòng)、滑行和起飛；④ 飛機(jī)飛抵火場，盤旋觀察；⑤ 確定投水航線，投水滅火；⑥ 往返機(jī)場注水滅火或返航。

大型水陸兩棲飛機(jī)執(zhí)行森林滅火任務(wù)時(shí)通常采用的戰(zhàn)術(shù)有直接滅火和打隔離帶兩種方式。直接滅火即飛機(jī)直接投水撲滅火源、控制火頭，而打隔離帶則是噴灑出一條隔離帶防止火勢蔓延。執(zhí)行滅火任務(wù)時(shí)飛機(jī)通常處于低空低速狀態(tài)，火場上空復(fù)雜的氣流環(huán)境以及不規(guī)則地形都對飛機(jī)安全性提出了更高的要求。

圖1 汲水滅火作業(yè)Fig.1 Fire-extinguishing operation for drawing water

圖2 注水滅火作業(yè)Fig.2 Fire-extinguishing operation for filling water

1.3 水上救援需求

中國是一個(gè)海洋大國，隨著中國海洋事業(yè)的快速發(fā)展，海洋調(diào)查、海洋勘探、海洋開發(fā)、海上運(yùn)輸、海上生產(chǎn)和海洋旅游服務(wù)等生產(chǎn)、生活和科研活動(dòng)日益頻繁，海上突發(fā)事件頻率逐年增高，給國家和人民財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失。據(jù)中國海上搜救中心統(tǒng)計(jì)，1949—1984年間，中國平均每年執(zhí)行海上救援26.9 次，1985—1990年間，平均每年執(zhí)行海上救援60.8 次，而1991—1999年間,平均每年執(zhí)行海上救援107.7 次。

然而，中國尚未建立完善的海上應(yīng)急體系，相應(yīng)的任務(wù)體系、指揮體系、運(yùn)行體系、協(xié)同體系還未形成明確的機(jī)制。目前海上應(yīng)急任務(wù)處置能力僅能滿足內(nèi)近海和淺海的任務(wù)需要，救援裝備以直升機(jī)、艦船和極少的小型固定翼飛機(jī)為主。隨著中國中遠(yuǎn)海戰(zhàn)略以及海洋經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)施，迫切需要具備中遠(yuǎn)海海上快速支援和搜救的能力。

中遠(yuǎn)海海上快速支援和搜救必須依賴大型水陸兩棲飛機(jī)來執(zhí)行目標(biāo)搜索、空投物資、空降傘兵著水救援或直接著水救援等任務(wù)。大型水陸兩棲飛機(jī)的應(yīng)用可以為中國海上應(yīng)急體系的建設(shè)提供裝備保證，滿足中國對南海遠(yuǎn)端的中沙群島、南沙群島以及公海等區(qū)域的任務(wù)需要，為發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)保駕護(hù)航。

1.4 水上救援任務(wù)模式

水上救援是指對水上遇險(xiǎn)人員實(shí)施的各種救援活動(dòng)，包括搜尋、救撈、救護(hù)和運(yùn)送等環(huán)節(jié)。水上救援有兩種任務(wù)模式：著水救援模式和空投救援模式。飛機(jī)在接到救援指令后，攜帶必要的救援設(shè)備飛往事故水域，利用機(jī)載搜索設(shè)備確定遇險(xiǎn)人員/船只的方位，并上報(bào)現(xiàn)場情況。在氣象和水域條件允許的條件下可進(jìn)行著水救援，否則可空投救援物資如救生設(shè)備、藥品、食物和水。水上救援作業(yè)如圖3所示。

中遠(yuǎn)海的救援任務(wù)需要飛機(jī)快速到達(dá)事故海域，這就要求飛機(jī)具備大航程和高速性能；而執(zhí)行搜索和空投任務(wù)則要求飛機(jī)具備良好的低空、低速性能。因此必須權(quán)衡好大任務(wù)半徑、快速支援能力、低空低速搜索/空投能力之間的關(guān)系，獲得最優(yōu)的綜合性能。此外，中遠(yuǎn)海環(huán)境下的救援常常面臨惡劣海況，需要飛機(jī)具備較好的抗浪能力。

圖3 水上救援作業(yè)Fig.3 Operation for rescue on river or sea

2 基于國內(nèi)供應(yīng)商的構(gòu)型管理體系

2.1 國內(nèi)供應(yīng)商體系現(xiàn)狀

大型水陸兩棲飛機(jī)在研制過程中，采取了國際主流的“主制造商-供應(yīng)商”的發(fā)展模式，98%的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)零部件和95%的機(jī)載成品由國內(nèi)供應(yīng)商提供。由于中國民機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展滯后，國內(nèi)供應(yīng)商大部分以軍機(jī)產(chǎn)品為主，從軍機(jī)產(chǎn)品轉(zhuǎn)向民機(jī)產(chǎn)品，研制理念和管理體系的轉(zhuǎn)變都是巨大的挑戰(zhàn)。國內(nèi)供應(yīng)商存在的主要問題包括：適航理念認(rèn)知不足；軍機(jī)和民機(jī)制造工藝規(guī)范體系的差異引起的問題；過去單個(gè)設(shè)備交付為主，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)級供應(yīng)商，現(xiàn)有的組織和管理體系不能適應(yīng)民機(jī)發(fā)展需求等。這些都是國內(nèi)供應(yīng)商從軍機(jī)研制轉(zhuǎn)向民機(jī)研制的過程中必然出現(xiàn)的問題。

長期以來，國內(nèi)供應(yīng)商產(chǎn)品研制的主要參考依據(jù)是軍機(jī)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對適航理念認(rèn)識嚴(yán)重不足。以實(shí)現(xiàn)可靠性和使用性能為主的軍機(jī)研制理念根深蒂固，轉(zhuǎn)變到以滿足安全性和市場需求為主的民機(jī)研制理念還需要一個(gè)過程。

由于既有的生產(chǎn)體系是按照軍機(jī)要求建立的，因此民機(jī)規(guī)范體系和軍機(jī)規(guī)范體系的交叉使用對國內(nèi)供應(yīng)商現(xiàn)場生產(chǎn)工作帶來了考驗(yàn)。供應(yīng)商原有的標(biāo)準(zhǔn)體系不統(tǒng)一，使得生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)線適應(yīng)難度加大，容易造成差錯(cuò)[4]。

2.2 構(gòu)型管理體系的建立

為確保大型水陸兩棲飛機(jī)達(dá)到研制目標(biāo)，建立了相應(yīng)的構(gòu)型管理體系，涵蓋構(gòu)型管理組織機(jī)構(gòu)、構(gòu)型管理實(shí)施方案、供應(yīng)商構(gòu)型管理等方面。通過構(gòu)型管理工作，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的可見性、唯一性、可控性、有效性和可追溯性；確保產(chǎn)品的性能、功能特性和物理特性與設(shè)計(jì)要求和使用要求的一致性；控制項(xiàng)目成本和進(jìn)度。

針對供應(yīng)商的構(gòu)型管理工作，制訂了供應(yīng)商構(gòu)型管理要求，對供應(yīng)商進(jìn)行構(gòu)型控制。在此過程中，由于國內(nèi)供應(yīng)商目前的現(xiàn)狀限制，出現(xiàn)了各種問題，如設(shè)計(jì)更改響應(yīng)時(shí)間較長、各企業(yè)信息化不統(tǒng)一對數(shù)據(jù)傳遞帶來影響等。通過與供應(yīng)商協(xié)調(diào)產(chǎn)品定義和標(biāo)識，確定雙方的接口關(guān)系并管理接口控制文件，維護(hù)雙方批準(zhǔn)的構(gòu)型基線文件，遵循統(tǒng)一的更改流程，有力地支撐著大型水陸兩棲飛機(jī)研制實(shí)現(xiàn)預(yù)期的構(gòu)型管理目標(biāo)。同時(shí)，建立了供應(yīng)商定期審核機(jī)制，幫助國內(nèi)供應(yīng)商持續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)保證體系。

3 氣水動(dòng)布局綜合設(shè)計(jì)

3.1 總體布局

大型水陸兩棲飛機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了相對成熟的布局形式。某大型水陸兩棲飛機(jī)采用單船身式機(jī)身、懸臂式上單翼、T型尾翼和前三點(diǎn)可收放式起落架的布局形式，如圖4所示。

以舭線為分界線，舭線以上為常規(guī)飛機(jī)機(jī)身外形，舭線以下為船體外形，采用單斷階V型船體，機(jī)身采用通艙設(shè)計(jì)。為抑制噴濺，在機(jī)身前端左右兩側(cè)設(shè)置抑波槽。飛機(jī)采用前三點(diǎn)式起落架，主起落架布置在機(jī)身斷階后，向后收起至機(jī)身兩側(cè)的主起整流罩內(nèi)。

圖4 某大型水陸兩棲飛機(jī)總體布局Fig.4 General configuration of a large-scale amphibious aircraft

3.2 氣水動(dòng)一體化設(shè)計(jì)

水陸兩棲飛機(jī)在水面時(shí)的狀態(tài)類似于船舶，但是和船舶又有區(qū)別，船舶的航行速度與水陸兩棲飛機(jī)高速滑行的速度相比較低，無需過多考慮氣動(dòng)作用。在水陸兩棲飛機(jī)的水面滑行階段，其同時(shí)受氣動(dòng)、水動(dòng)共同作用，且水面效應(yīng)及水氣交混狀態(tài)也使其受力更為復(fù)雜。在起降階段需特別考慮滑行的快速性、穩(wěn)定性邊界、適海性等因素，同時(shí)還需兼顧飛機(jī)常規(guī)設(shè)計(jì)要素，如巡航效率、載荷范圍等。這些復(fù)雜問題的綜合作用，給水陸兩棲飛機(jī)的設(shè)計(jì)提出了挑戰(zhàn)。把機(jī)身下部的船體部分與機(jī)身上部的常規(guī)機(jī)身部分有機(jī)結(jié)合，使得飛機(jī)在水上起飛和著水過程中具有良好的性能，是水陸兩棲飛機(jī)設(shè)計(jì)的精髓，也是難點(diǎn)。

特殊的任務(wù)模式要求飛機(jī)兼顧低空低速性能和高速巡航性能，因此必須權(quán)衡好二者之間的關(guān)系。船體的外形設(shè)計(jì)和氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)要求存在較大沖突，如果協(xié)調(diào)不好全機(jī)氣水動(dòng)布局設(shè)計(jì)，不僅會(huì)明顯增加飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，同時(shí)也難以達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)。為了滿足飛機(jī)既定的功能和性能要求，以及苛刻的重量指標(biāo)要求，必須要用新思路和新方法來解決氣水動(dòng)布局中的矛盾。

為了滿足某大型水陸兩棲飛機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行了高抗浪船體設(shè)計(jì)技術(shù)攻關(guān)，采用了氣水動(dòng)布局綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。在總體布局設(shè)計(jì)、翼身組合體氣水動(dòng)布局的一體化設(shè)計(jì)、高升力機(jī)翼/襟翼/動(dòng)力裝置綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)、機(jī)身/船體氣動(dòng)外形的綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，進(jìn)行了多輪次的方案迭代和優(yōu)化。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了飛機(jī)的抗浪能力、噴濺性能、水面滑行穩(wěn)定性和操縱性能，保證了良好的水動(dòng)特性；同時(shí)，進(jìn)一步降低了飛機(jī)的失速速度和最小平飛速度，使得飛機(jī)在低空低速性能和高速巡航性能之間取得了較好的平衡，最終達(dá)到了頂層設(shè)計(jì)要求。

3.3 獨(dú)特的起落架布局與型式

在此之前，中國并沒有大型水陸兩棲飛機(jī)起落架的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。20世紀(jì)70年代研制的第一代水上飛機(jī)不具備陸地起降能力，該機(jī)的起落架僅在上下水和陸地停放時(shí)起到支撐作用。因此，起落架的布局設(shè)計(jì)成為總體設(shè)計(jì)過程中的一項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。

大型水陸兩棲飛機(jī)需要在水面滑行起飛，為降低阻力，機(jī)身下半部分設(shè)計(jì)為V型船體形狀，因此不能像常規(guī)飛機(jī)一樣在機(jī)腹設(shè)置主起落架艙。水陸兩棲飛機(jī)的機(jī)翼需要遠(yuǎn)離水面，一般采用上單翼，如果將起落架收于機(jī)翼中，起落架的支柱將過長，對于重量和穩(wěn)定性都是不小的挑戰(zhàn)。因此，大型水陸兩棲飛機(jī)的起落架設(shè)計(jì)必須跳出常規(guī)飛機(jī)的起落架布局思維。

俄羅斯的Be-200、日本的US-2、加拿大的CL-415是水陸兩棲飛機(jī)的代表機(jī)型，這3種飛機(jī)均采用前三點(diǎn)可收放式起落架，但在具體布局上采用了3種不同的方案：翼根整流包方案、機(jī)身整流包方案和外伸梁方案，如圖5所示。Be-200采用翼根整流包方案，在機(jī)翼根部布置整流包，以此作為主起落架艙；US-2采用機(jī)身整流包方案，起落架收藏于機(jī)身外側(cè)的整流包內(nèi)；CL-415采用外伸梁方案，不設(shè)置整流包，而是將起主落架收于機(jī)身兩側(cè)的開槽內(nèi)[5]。

某大型水陸兩棲飛機(jī)采用前三點(diǎn)、可收放式起落架。由于該機(jī)采用上單翼，如果主起落架安裝于機(jī)翼的下翼面，則主起支柱的高度將超過5 m，結(jié)構(gòu)重量非常大。該機(jī)將主起落架布置于斷階后機(jī)身兩側(cè)，采用懸臂外伸式單支柱起落架，并在機(jī)身兩側(cè)設(shè)置整流包作為主起落架艙，當(dāng)起落架收起時(shí)，主起落架收在凸出機(jī)身兩側(cè)的起落架艙內(nèi)，可大大減少主起支柱的高度。

圖5 大型水陸兩棲飛機(jī)典型起落架布局方案Fig.5 Configuration schemes of landing gear for large-scale amphibious aircraft

主起整流罩位于翼身整流罩的下方，二者后緣的分離流混合后，對機(jī)身后部的流場造成了嚴(yán)重干擾，對全機(jī)氣動(dòng)特性產(chǎn)生了不利影響。通過對翼身整流罩和主起整流罩進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效抑制了對飛機(jī)的不利干擾，且全機(jī)總阻力下降了6.05%。此外，為了降低起落架對水動(dòng)性能的影響，進(jìn)行了單船身模型試驗(yàn)和全機(jī)帶動(dòng)力模型試驗(yàn)。對主起整流罩和下位鎖整流罩進(jìn)行水動(dòng)外形優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在低速時(shí)引起最大水阻力增加約12.5%，高速時(shí)引起最大水阻力增加約 9.5%，滿足了主起整流罩與下位鎖整流罩外形引起水動(dòng)阻力增量的設(shè)計(jì)要求。

4 任務(wù)系統(tǒng)集成與任務(wù)效能評估

4.1 任務(wù)系統(tǒng)集成

通過特別設(shè)計(jì)的救援任務(wù)系統(tǒng)和滅火任務(wù)系統(tǒng)與飛機(jī)平臺(tái)集成，大型水陸兩棲飛機(jī)具備了水上救援和森林滅火兩大特色功能。任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循低耦合的原則，盡可能降低對其他系統(tǒng)的依賴性，避免任務(wù)系統(tǒng)故障對其他系統(tǒng)產(chǎn)生影響，危害飛行安全。為提高任務(wù)系統(tǒng)可靠性，對主要功能設(shè)備和功能線路進(jìn)行了余度設(shè)計(jì)。

救援任務(wù)系統(tǒng)由搜索系統(tǒng)和救援系統(tǒng)組成，救援系統(tǒng)又分為著水救援設(shè)備和空投救援設(shè)備，救援系統(tǒng)的組成如圖6所示。水上救援的第1步是由搜索系統(tǒng)完成的，搜索系統(tǒng)探測和解算待救援目標(biāo)的位置信息和海況信息。在海況和天氣條件允許的情況下，采用飛機(jī)著水救援；如果無法著水救援，則轉(zhuǎn)入空投救援模式，飛行員根據(jù)現(xiàn)場情況確定空投高度、速度和空投時(shí)機(jī)。

滅火任務(wù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分考慮了滅火任務(wù)的特殊性，結(jié)合水面滑行汲水和機(jī)場注水使用模式，采用多水箱儲(chǔ)水、多投水艙門收放控制、汲水斗收放控制方案，并設(shè)計(jì)了注水、溢水裝置，注水裝置供機(jī)場注水使用，當(dāng)水量超過水箱容積后通過溢水裝置排出。滅火任務(wù)系統(tǒng)的水箱結(jié)構(gòu)最大載水量12 t，通過控制汲水管道上的水箱閥門，可實(shí)現(xiàn)6、9和12 t的梯度載水控制。滅火任務(wù)系統(tǒng)設(shè)置了觀察員座椅，觀察員的主要職責(zé)是觀察火場情況，為飛行員選擇投水時(shí)機(jī)提供參考，滅火任務(wù)系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖6 大型水陸兩棲飛機(jī)救援系統(tǒng)組成Fig.6 Components of rescue system for large-scale amphibious aircraft

圖7 大型水陸兩棲飛機(jī)滅火任務(wù)系統(tǒng)組成Fig.7 Components of fire-extinguishing system for large-scale amphibious aircraft

4.2 任務(wù)效能評估

準(zhǔn)確有效地評估大型水陸兩棲飛機(jī)執(zhí)行森林滅火和水上救援任務(wù)的效能，不僅能幫助設(shè)計(jì)人員了解飛機(jī)本體的能力，而且能對任務(wù)規(guī)劃提供參考，甚至能反向優(yōu)化總體設(shè)計(jì)指標(biāo)[6]。森林滅火和水上救援任務(wù)從單機(jī)任務(wù)到單機(jī)型多機(jī)聯(lián)合任務(wù)，再到多機(jī)型多機(jī)聯(lián)合任務(wù)，其復(fù)雜程度已經(jīng)超出了傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的理解范疇，必須借助新的理論和方法來解決。

在系統(tǒng)工程視角下，效能是在特定的任務(wù)要求下，系統(tǒng)執(zhí)行該任務(wù)能夠滿足要求的程度，是系統(tǒng)的有效度、可信度和固有能力的函數(shù)?；谶@種理解，已經(jīng)發(fā)展了許多成熟的評估方法，可以概括為4類：解析法、綜合評估法、試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)法和作戰(zhàn)仿真法[7-10]。然而，從“效能”所具有的內(nèi)涵來看，效能評估天然是與“特定任務(wù)”聯(lián)系在一起的。系統(tǒng)工程視角下的效能評估方法卻大多與“特定任務(wù)”脫節(jié)了，只能稱之為“性能評估”。近年來，隨著對體系(System of Systems, SOS)研究的深入，效能評估開始從系統(tǒng)工程視角轉(zhuǎn)向體系視角，逐步實(shí)現(xiàn)了從“性能評估(Measure of Performancee, MOP)”到“效能評估(Measure of Effectiveness, MOE)”的跨越。

因此，對大型水陸兩棲飛機(jī)森林滅火和水上救援的任務(wù)效能評估，必須用體系視角下的效能評估理論和方法解決，不僅要考慮復(fù)雜的系統(tǒng)間關(guān)系(在體系中，飛機(jī)、環(huán)境都被稱為系統(tǒng))、機(jī)隊(duì)配置問題，還要兼顧飛機(jī)本身效能和體系的整體效能。建模和仿真領(lǐng)域的離散事件方法、人工智能方法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法、不確定性建模方法和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)方法都為體系化效能評估提供了新思路[11]。

5 特殊任務(wù)模式帶來的其他挑戰(zhàn)

5.1 更高的腐蝕防護(hù)要求

在沿海高濕度、高溫和高鹽分環(huán)境中使用的飛機(jī)，長期受到化學(xué)侵蝕，極易產(chǎn)生機(jī)體結(jié)構(gòu)腐蝕。腐蝕損傷不僅威脅飛行安全，而且會(huì)降低飛機(jī)使用壽命[12-13]。飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部結(jié)構(gòu)均會(huì)產(chǎn)生腐蝕損傷，飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的腐蝕損傷通常是密封性能不佳引起的，而飛機(jī)外部結(jié)構(gòu)由于直接與大氣環(huán)境接觸，極容易產(chǎn)生腐蝕損傷[14-15]。

和陸基飛機(jī)相比，水陸兩棲飛機(jī)的工作環(huán)境更為惡劣。某大型水陸兩棲飛機(jī)由于其特殊的任務(wù)用途和使用模式，長期在高溫、高濕、高鹽的環(huán)境下工作。該機(jī)在水面滑行取水或起飛時(shí)，船體直接浸泡在水中；執(zhí)行滅火任務(wù)時(shí)，飛行高度較低，一般離樹梢50～80 m，火場上空處于高溫狀態(tài)；在海上執(zhí)行救援任務(wù)時(shí)，如果進(jìn)行著水救援，海水將對機(jī)體產(chǎn)生強(qiáng)烈腐蝕。因此，在總體設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)該充分考慮機(jī)體的腐蝕防護(hù)和密封設(shè)計(jì)要求。

在大型水陸兩棲飛機(jī)的研制過程，通過建立腐蝕防護(hù)與控制技術(shù)體系(見圖8)，從結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計(jì)技術(shù)、系統(tǒng)安裝防腐蝕技術(shù)和腐蝕控制技術(shù)3個(gè)方面保證全機(jī)的腐蝕防護(hù)性能。

腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)的第一步是材料表面處理和設(shè)計(jì)防護(hù)涂層，根據(jù)材料類型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用不同的表面處理技術(shù)，如一般鋁合金板材、擠壓型材采用鉻酸陽極化，如果是易磨損表面則采用硬質(zhì)陽極化。防護(hù)涂層用來隔離腐蝕介質(zhì)，飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)只涂底漆，外部結(jié)構(gòu)采用底漆和面漆組合。此外，在飛機(jī)特定部位噴涂緩蝕劑能增強(qiáng)腐蝕防護(hù)效果。

為防止腐蝕介質(zhì)滲入機(jī)體內(nèi)部，全機(jī)進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)。水陸兩棲飛機(jī)因?yàn)樵谒匣形蚱痫w時(shí)，直接與水接觸，需要分別對機(jī)身、機(jī)翼、尾翼、浮筒和短艙進(jìn)行排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證機(jī)體不產(chǎn)生腐蝕介質(zhì)集聚，提高飛機(jī)防腐蝕性能。

飛機(jī)在制造階段采取防腐蝕工藝措施的同時(shí)，也要制訂使用階段的腐蝕控制措施[16]。對飛機(jī)表面進(jìn)行定期沖洗，特別是執(zhí)行海上救援任務(wù)后，使用淡水沖洗能減緩腐蝕的發(fā)生。定期進(jìn)行飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕檢查，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行腐蝕評級，進(jìn)而采取對應(yīng)的處理方法，可避免結(jié)構(gòu)腐蝕影響持續(xù)適航性。

通過腐蝕防護(hù)與控制技術(shù)體系，大型水陸兩棲飛機(jī)進(jìn)行了完善的防腐蝕設(shè)計(jì)，為滿足特殊任務(wù)模式提供了重要保障。

圖8 大型水陸兩棲飛機(jī)腐蝕防護(hù)與控制技術(shù)體系Fig.8 Corrosion protection and control technology system for large-scale amphibious aircraft

5.2 總體布局的緊湊型設(shè)計(jì)

CCAR-25-R4第25.755(a)條款規(guī)定，“船體必須具有足夠數(shù)量的水密艙，使得在任何兩個(gè)相鄰隔艙大量進(jìn)水后，船體和輔助浮筒(以及機(jī)輪輪胎，如果使用)的浮力能提供足夠大的正穩(wěn)定余度，使在洶涌的淡水中傾覆的概率減至最小”[17]。結(jié)合適航條款要求和飛機(jī)功能要求，進(jìn)行了機(jī)身分艙設(shè)計(jì)，設(shè)置有7個(gè)水密艙和水箱。為保證水密艙的水密特性，滿足水動(dòng)力的要求，因此，整個(gè)通艙地板下都難以布置系統(tǒng)設(shè)備和線系。

這一特殊設(shè)計(jì)在滿足滅火任務(wù)功能要求和水動(dòng)力要求的同時(shí)，卻是對CCAR-25-R4第25.903(d)條款中關(guān)于將非包容轉(zhuǎn)子對飛機(jī)的危害減至最小的要求的極大挑戰(zhàn)。各系統(tǒng)線系因?yàn)椴荒懿贾迷诘匕逑拢荒芟蛏暇o密布置在艙門以上部分，當(dāng)單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)單個(gè)1/3轉(zhuǎn)子發(fā)生非包容事件時(shí)，更有可能會(huì)同時(shí)損壞實(shí)現(xiàn)同一關(guān)鍵功能的備份系統(tǒng)，導(dǎo)致災(zāi)難性事故。上述設(shè)計(jì)特征使?jié)M足AC 20-128A中關(guān)于關(guān)鍵系統(tǒng)防護(hù)的定性要求[18]的設(shè)計(jì)難度大大增加，對發(fā)動(dòng)機(jī)非包容轉(zhuǎn)子特定風(fēng)險(xiǎn)的分析與評估工作也造成了較大壓力[19]。此外，設(shè)備不能布置在地板下部，天線布局也只能考慮遠(yuǎn)離水線的上部空間，緊湊的總體布局方案會(huì)對電磁兼容性和維修性也帶來了一定的壓力。

這就要求在飛機(jī)設(shè)計(jì)之初，綜合考慮各方面的要求，制訂合適的布置方案。如在機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留線束通道，在發(fā)動(dòng)機(jī)短艙或機(jī)身受影響區(qū)域增加足夠的防護(hù)，以滿足安全性要求；在布置限制條件下，合理優(yōu)化各設(shè)備的位置，提高設(shè)備的維修性和電磁兼容性。

5.3 駕駛艙集成面臨的矛盾

相較于執(zhí)行航線飛行任務(wù)的飛機(jī)，大型水陸兩棲飛機(jī)因?yàn)榧闪怂暇仍蜕譁缁鹑蝿?wù)系統(tǒng)，因此在駕駛艙顯示和控制系統(tǒng)方面增加了額外的設(shè)計(jì)工作。如水密艙滲漏水液位監(jiān)控顯示、水舵操縱開關(guān)、投水滅火開關(guān)、應(yīng)急投水開關(guān)等的設(shè)計(jì)，既要滿足任務(wù)系統(tǒng)的功能要求，又要避免該功能以不合適的方式將飛行機(jī)組的注意力從其他的駕駛艙信息和任務(wù)中吸引，影響績效水平并導(dǎo)致總的安全性等級降低[20]。

現(xiàn)代駕駛艙告警系統(tǒng)的作用已經(jīng)超出了通常涵蓋的注意力引導(dǎo)作用，還包括給予飛行機(jī)組期望的提示、幫助機(jī)組降低工作負(fù)荷等作用。但是如果告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念不明確、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不統(tǒng)一、設(shè)計(jì)流程方法可操作性不強(qiáng)，設(shè)計(jì)出來的系統(tǒng)就可能在安全上存在隱患，成為妨礙飛行員感知飛機(jī)狀態(tài)的禍?zhǔn)譡21]。在特殊的任務(wù)環(huán)境下，大型水陸兩棲飛機(jī)告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成面臨巨大挑戰(zhàn)。例如，在執(zhí)行森林滅火任務(wù)時(shí)，飛機(jī)飛行高度較低，可能會(huì)觸發(fā)拉起告警、地形告警、低空風(fēng)切變等多個(gè)告警，極大干擾機(jī)組的正常飛行，導(dǎo)致機(jī)組工作負(fù)荷增加；在執(zhí)行水上救援任務(wù)時(shí)，低空盤旋搜索、著水可能觸發(fā)地形告警、著陸/著水構(gòu)型告警，水面停泊、滑行時(shí)可能觸發(fā)水密艙進(jìn)水告警等；水陸轉(zhuǎn)換邏輯也存在差異，陸上著陸時(shí)不放下起落架會(huì)產(chǎn)生告警，而著水時(shí)放下起落架會(huì)產(chǎn)生告警。

以上情形對于常規(guī)陸基飛機(jī)是不存在的，這就要求在告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一方面要綜合考慮飛行過程和場景，對火場、水面等復(fù)雜告警環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確判斷、保證信號采集靈敏有效，同時(shí)要對告警信號進(jìn)行智能分析和綜合判斷的集成；另一方面，要精心對告警場景進(jìn)行分析、告警邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證集成后的告警信號準(zhǔn)確有效，不能產(chǎn)生不利于飛行安全的影響。

6 結(jié) 論

大型水陸兩棲飛機(jī)由于其特殊的任務(wù)模式，給飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造和適航審定帶來了一系列的挑戰(zhàn)。針對這些挑戰(zhàn)，從構(gòu)型管理體系的建立、氣水動(dòng)布局綜合設(shè)計(jì)、任務(wù)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)、駕駛艙集成設(shè)計(jì)、非包容轉(zhuǎn)子的安全性設(shè)計(jì)到腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)等不同于陸基飛機(jī)的方面，進(jìn)行了針對性的技術(shù)攻關(guān)，給出了獨(dú)特的解決方式，取得了一定成果。但是，仍有一些問題值得重視：

1) 由于國內(nèi)缺乏大型水陸兩棲飛機(jī)的適航審定經(jīng)驗(yàn)，針對一些特殊設(shè)計(jì)制訂了專用條件，如何進(jìn)行符合性驗(yàn)證對于申請方和局方都是考驗(yàn)。

2) 森林滅火和水上救援場景下的人為因素設(shè)計(jì)驗(yàn)證也無經(jīng)驗(yàn)可循。

3) 高精度滅火投水機(jī)動(dòng)飛行試驗(yàn)和惡劣環(huán)境下水面起降飛行試驗(yàn)都需要進(jìn)一步的研究。

4) 大型水陸兩棲飛機(jī)如何與現(xiàn)有應(yīng)急救援體系集成，以發(fā)揮最大的效用。