大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機(jī)應(yīng)急投水功能設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

梁 孜，邊寶龍，任世友，蔣 榮

（1.中航通飛華南飛機(jī)工業(yè)有限公司研發(fā)中心，珠海 519040；2.中國特種飛行器研究所水動(dòng)力研究中心，荊門 448035）

在過去的幾十年里，航空行業(yè)在安全方面取得了巨大進(jìn)步，技術(shù)在確保飛機(jī)安全方面做出了重大貢獻(xiàn)。但技術(shù)進(jìn)步，如空氣動(dòng)力學(xué)，尤其是機(jī)翼設(shè)計(jì)和推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展使得飛機(jī)能承載更大的重量，而這將導(dǎo)致超出某些限制，如可能會(huì)超出取證的最大剎車能量和輪胎速度限制，所需進(jìn)場(chǎng)速度可能會(huì)超出大襟翼形態(tài)對(duì)應(yīng)的標(biāo)牌速度或妨礙襟翼的載荷減緩，導(dǎo)致只能用較小襟翼形態(tài)進(jìn)場(chǎng)，進(jìn)場(chǎng)穩(wěn)定性變差，進(jìn)場(chǎng)速度和著陸（水）速度增大等。

適航條款CCAR—25.1301 要求飛機(jī)設(shè)備（包括剎車、輪胎和操縱面）的種類和設(shè)計(jì)與預(yù)定功能相適應(yīng)?，F(xiàn)代飛機(jī)特別是大型飛機(jī)在設(shè)計(jì)方面追求更好的起飛性能，因此在很多可能的情況下會(huì)造成不安全的狀態(tài)出現(xiàn)，即如果不超出設(shè)備能力，飛機(jī)將無法返場(chǎng)著陸（水）。

CAAC 認(rèn)為，在飛機(jī)研制中不考慮返場(chǎng)著陸（水）能力可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不安全的狀態(tài)。無論飛機(jī)是否設(shè)置應(yīng)急放油/應(yīng)急投水系統(tǒng)，飛機(jī)都應(yīng)該提供足夠的返場(chǎng)著陸（水）能力，尤其對(duì)不設(shè)置應(yīng)急放油/應(yīng)急投水系統(tǒng)的飛機(jī)，否則這樣的飛機(jī)設(shè)計(jì)是不安全的，按照CCAR—21.21的規(guī)定將不能取得型號(hào)批準(zhǔn)。

應(yīng)急投水功能設(shè)計(jì)難點(diǎn)

1 設(shè)計(jì)原則

CAAC 認(rèn)為，對(duì)于任何可預(yù)期的正常使用條件下超出下列限制的情況，將視為CCAR—21.21 中描述的飛機(jī)的一種潛在不安全狀況。因此，申請(qǐng)人必須解決服役中遇到的典型情況/失效導(dǎo)致的潛在返場(chǎng)著陸（水）中的安全問題。因此，AG600 飛機(jī)滅火型需要考慮的內(nèi)容包括但不限于以下內(nèi)容：超過審定的最大剎車能量（著陸）；超過輪胎速度限制（著陸）；操縱能力（如液壓或飛控系統(tǒng)失效）；襟翼標(biāo)牌速度余量或紊流中載荷減緩操作速度余量；爬升能力，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作程序；著陸（水）場(chǎng)長(zhǎng)（實(shí)際距離）；超過結(jié)構(gòu)載荷限制（著陸/著水）；CCAR—25.239（a）（1）和（2）的要求。

提供的信息應(yīng)包括那些需要飛機(jī)以非正常速度和襟翼位置著陸（水）的典型的單點(diǎn)失效以及可預(yù)期的組合或關(guān)聯(lián)損壞的失效情況。

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

根據(jù)AG600 飛機(jī)滅火型的使用模式及設(shè)計(jì)特征，目前最大起飛重量（60t）遠(yuǎn)大于最大著陸重量（52t（陸上）/54t（水上）），如果沒有應(yīng)急放油/應(yīng)急投水系統(tǒng)，存在以下嚴(yán)重問題：

（1）飛機(jī)滅火使用包線無法滿足CCAR—25.1001條應(yīng)急放油要求。

（2）超過結(jié)構(gòu)載荷限制（著陸/著水）（CCAR—25.473條規(guī)定：設(shè)計(jì)起飛重量著陸時(shí)的限制下沉率為1.83m/s；超重著陸要求：必須對(duì)飛行員進(jìn)行特殊訓(xùn)練，具備控制著陸下沉率的能力，而且在著陸后必須對(duì)起落架及連接結(jié)構(gòu)部位進(jìn)行探傷檢查）。

（3）CCAR—25.239條水面噴濺特性、操縱性和穩(wěn)定性需水動(dòng)專業(yè)評(píng)估。

應(yīng)急投水功能設(shè)計(jì)評(píng)估

1 增加應(yīng)急投水功能原因

（1）飛機(jī)起飛階段發(fā)生故障概率在10–4～10–5之間，必須考慮應(yīng)急返場(chǎng)著陸/著水情況。

（2）飛行手冊(cè)列出的可能需應(yīng)急返場(chǎng)的場(chǎng)景，如表1所示。

（3）鑒于前文所述設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析中對(duì)無應(yīng)急放油/應(yīng)急投水系統(tǒng)存在嚴(yán)重問題的說明，而且根據(jù)滅火任務(wù)系統(tǒng)初步安全性分析評(píng)估顯示：超重著水/著陸的危險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ/Ⅱ級(jí)。為保障AG600 飛機(jī)滅火型具有足夠的應(yīng)急返場(chǎng)著陸（水）能力，應(yīng)設(shè)置應(yīng)急放油/正常投水/應(yīng)急投水組合系統(tǒng)。

表1 AFM要求應(yīng)急返場(chǎng)著陸/著水場(chǎng)景Table1 Scene emergency return landing of AFM

2 應(yīng)急投水工況、故障模式及失效場(chǎng)景

2.1 正常投水

投水艙門打開到收上時(shí)間應(yīng)不大于8s；投水艙門開啟2s 內(nèi)，應(yīng)能投放出水箱中90%的水液。

2.2 應(yīng)急投水

起飛爬升至450m（相對(duì)高度），任意一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失效后，應(yīng)能在5s內(nèi)緊急投放出水箱中90%的水液。

2.3 應(yīng)急放油

在飛行階段，應(yīng)具有應(yīng)急放油的功能，能在15min 內(nèi)放出不少于8000kg的燃油。

2.4 應(yīng)急投水故障模式及失效場(chǎng)景

應(yīng)急投水故障模式及失效場(chǎng)景應(yīng)結(jié)合AFM 中應(yīng)急程序和非正常程序，并參考以上3種工況確定運(yùn)營(yíng)時(shí)采取以下原則。

（1）故障模式狀態(tài)下，一般優(yōu)先正常投水/應(yīng)急投水，后應(yīng)急放油；如正常投水/應(yīng)急投水失效，則應(yīng)急放油。

（2）因?yàn)樽畲箨懮掀痫w重量60t，最大著陸重量52t，最大著水重量（浪高1.25 m 以下）54t，最大載水12t。所以在故障模式狀態(tài)下，考慮爬升能力限制因素，在場(chǎng)高、場(chǎng)溫等具體條件下，參考后文所述的著陸限重條件盡量保證飛機(jī)重量低于限重著陸。

（3）另外，還需考慮著陸剎車能量如液壓或飛控系統(tǒng)失效時(shí)的操縱能力、著陸/ 著水結(jié)構(gòu)載荷、水面噴濺及操穩(wěn)等限制因素，如表2～3所示。

表2 應(yīng)急投水工況分析Table2 Analysis of emergency water delivery condition

3 設(shè)計(jì)評(píng)估

3.1 最大剎車能量（著陸）

按照機(jī)輪剎車系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求：剎車系統(tǒng)必須滿足飛機(jī)在正常著陸、中止起飛和最嚴(yán)酷著陸時(shí)的剎車要求，正常著陸時(shí)的剎車能量必須不小于17MJ；中止起飛時(shí)的剎車能量必須不小于29MJ；最嚴(yán)酷著陸時(shí)的剎車能量必須不小于29MJ。

表3 應(yīng)急投水故障模式分析Table3 Analysis of emergency water delivery failure mode

3.2 輪胎速度限制（著陸）

輪胎限制速度（地速）≤5362km/h。

3.3 操縱能力（如液壓或飛控系統(tǒng)

失效）

按照飛行品質(zhì)設(shè)計(jì)要求：在最不利的故障狀態(tài)下，應(yīng)具有足夠的升降舵操縱能力以保持進(jìn)場(chǎng)的拉平和安全著陸；飛機(jī)應(yīng)具有足夠的航向操縱能力，使得發(fā)動(dòng)機(jī)停車的最小操縱速度（VMCA、VMCG、VMCL、VMCL–2）在正常使用重量的范圍內(nèi)不會(huì)限制飛機(jī)的性能；起飛時(shí)，臨界發(fā)動(dòng)機(jī)失效后，在駕駛員不使用方向舵的情況下，飛機(jī)應(yīng)有足夠的橫向操縱能力。

3.4 襟翼標(biāo)牌速度余量或紊流中載荷減緩操作速度余量

具體如表4所示。

3.5 爬升能力，發(fā)動(dòng)機(jī)不工作程序

根據(jù)CCAR–25.119條（著陸爬升：全發(fā)工作）和CCAR–25.121(d)條（爬升：?jiǎn)伟l(fā)停車，進(jìn)場(chǎng)）規(guī)定的爬升梯度要求，繪制的AG600 飛機(jī)滅火型在不同場(chǎng)高和溫度下的著陸/著水限重如圖1所示。

根據(jù)上面的著陸/著水限重圖分析可知：40°襟翼著陸/著水受場(chǎng)高和場(chǎng)溫組合約束，爬升梯度不能滿足西南林區(qū)高原高溫環(huán)境條件，需要限重才能滿足爬升梯度要求；為適應(yīng)西南林區(qū)高原高溫環(huán)境條件，可以改用25°襟翼著陸/著水以獲得足夠的性能余量。

3.6 著陸（水）場(chǎng)長(zhǎng)

具體如表5～7所示。

3.7 結(jié)構(gòu)載荷（著水/著陸）

3.7.1 故障著水

針對(duì)“載水12t，4個(gè)水箱無法投水”的故障情況，飛機(jī)將以60000kg的總重著水，襟翼為40°，浪高不大于1.25m。經(jīng)初步評(píng)估，該故障著水情況船體和水箱的載荷未超過極限載荷。

3.7.2 帶水著陸

對(duì)于帶水著陸的情況，在此分為兩類進(jìn)行評(píng)估：著陸重量不超過52000kg的情況和著陸重量超過52000kg的情況。

（1）著陸重量不超過52000kg的帶水著陸。對(duì)于著陸載荷來說，應(yīng)急模式裝載狀態(tài)所給出的不超過52000kg著陸情況中，無帶6t水著陸情況不必考慮飛機(jī)重心的橫向位移對(duì)起落架載荷的影響，重量重心均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，故屬正常著陸情況，對(duì)著陸載荷無影響。對(duì)于水箱來說，由于著陸的設(shè)計(jì)載荷系數(shù)為2.6，而滅火型的空中滅火任務(wù)機(jī)動(dòng)載荷系數(shù)達(dá)到了2.66，故著陸工況并不是水箱的設(shè)計(jì)工況，帶水著陸不會(huì)超出水箱的設(shè)計(jì)載荷。

表4 襟翼展態(tài)速度（CAS）Table4 Maximum falp extended speed（CAS）km·h–1

表5 著陸性能（δf =40°）（剎車盤為干態(tài)，ISA）Table5 Landing performance （flaps 40°）（brake of dry state,ISA）

表6 著陸性能（δf =40°）（剎車盤為濕態(tài)，ISA）Table6 Landing performance（flaps 40°）（brake of wet state,ISA）

圖1 著陸和著水限重圖Fig.1 Landing limit and water landing limit weight

表7 著水性能（δf =40°）（ISA）Table7 Water landing performance（flaps 40°）（ISA）

（2）著陸重量超過52000kg的帶水著陸。根據(jù)應(yīng)急模式裝載狀態(tài)故障工況下著陸重量為54600kg和60000kg，已超出了設(shè)計(jì)著陸重量52000kg，依據(jù)CCAR–25.473(a)。

（3）該重量下允許著陸。同時(shí)需注意，以60000kg著陸時(shí)的下沉速度為1.83m/s；根據(jù)著陸能量不超出設(shè)計(jì)值的原則，以54600kg著陸的下沉速度需控制在不大于2.9m/s。

正常操縱時(shí)，飛機(jī)的下沉速度較小，根據(jù)某型飛機(jī)實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以3m/s的下沉速度著陸的概率約為1/2000，所以由功量決定的起落架著陸載荷不會(huì)超出最大使用載荷（參考《飛機(jī)起落架強(qiáng)度設(shè)計(jì)指南》）。

由于以54600kg和60000kg 著陸時(shí)的著陸能量控制在要求的范圍內(nèi)，故起落架的著陸載荷將不會(huì)被超過，對(duì)于機(jī)翼、機(jī)身和尾翼的著陸載荷將不會(huì)超過設(shè)計(jì)載荷。

由于著陸的設(shè)計(jì)載荷系數(shù)為2.6，而滅火型的空中滅火任務(wù)機(jī)動(dòng)載荷系數(shù)達(dá)到了2.66，故該工況并不會(huì)成為水箱的設(shè)計(jì)工況。

由于飛行員難于知曉確切的下沉速度，故在超重著陸后，仍需對(duì)起落架及其連接的關(guān)鍵部位進(jìn)行檢查，以保證后續(xù)飛行的安全。此外，超載著陸使飛機(jī)水平速度增大，著陸后易沖出跑道，或因剎車次數(shù)過多過猛造成輪胎爆破。

3.8 CCAR-25.239(a)（1）和（2）要求

CCAR–25.239條“水面噴濺特性、操縱性和穩(wěn)定性”，對(duì)于水上飛機(jī)和水陸兩用飛機(jī)，在起飛、滑行和著水期間以及本條所列條件下，必須符合以下要求：

（1）不得有妨礙駕駛員視線、引起損壞或造成進(jìn)水量過大的噴賤特性。

（2）不得有危險(xiǎn)不可控制的海豚運(yùn)動(dòng)、彈跳或搖擺傾向。

針對(duì)應(yīng)急返場(chǎng)著水時(shí)的滑行穩(wěn)定性，根據(jù)模型試驗(yàn)報(bào)告，在60t 狀態(tài)飛機(jī)滑行穩(wěn)定性良好，滑行穩(wěn)定邊界范圍在3°以上，能夠保證60t 應(yīng)急返場(chǎng)著水時(shí)的滑行穩(wěn)定性。

對(duì)于噴濺特性，根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，在60t 狀態(tài)滑行過程中，噴濺不影響駕駛員視界，未沖刷螺旋槳和襟翼，有零星水花出現(xiàn)在螺旋槳及襟翼位置，不影響螺旋槳和襟翼的正常使用，在不大于0.5m的波浪中，噴濺對(duì)螺旋槳和襟翼有一定程度的影響，但不會(huì)造成災(zāi)難性的事故。

3.9 安全性等級(jí)

如表8所示，在AG600 飛機(jī)滅火型滅火任務(wù)系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)之下，開展了滅火任務(wù)系統(tǒng)的初步安全性評(píng)估，其中“投水結(jié)束后，無通告的無法關(guān)閉投水艙門”和“載水12t 時(shí)，水箱無法投水”兩種功能失效，在故障樹基礎(chǔ)上，進(jìn)行安全性分配的結(jié)果中，對(duì)液壓源的最嚴(yán)酷的失效要求是達(dá)到 “右液壓源故障的故障率不高于1.33×10–6每飛行小時(shí)”。

表8 應(yīng)急投水功能FHA分析Table8 FHA analysis of emergency throw water function

結(jié)論

綜上，為保障AG600 飛機(jī)滅火型具有足夠的應(yīng)急返場(chǎng)著陸（水）能力，從滅火任務(wù)系統(tǒng)安全性分析角度出發(fā)，應(yīng)設(shè)置應(yīng)急放油/正常投水/應(yīng)急投水組合系統(tǒng)：

（1）AG600 飛機(jī)滅火型的滅火任務(wù)系統(tǒng)需要考慮的內(nèi)容主要涉及CCAR–25.1001 應(yīng)急放油、CCAR–25.473 著陸載荷、CCAR–25.239 水面噴濺等條款要求。

（2）在“無法投水”失效模式下，因水箱載水9t/12t，為避免飛機(jī)帶水著水可能出現(xiàn)的不安全特性，建議不采用帶水應(yīng)急返場(chǎng)著水模式。

（3）根據(jù)目前安全性分析結(jié)果，滅火任務(wù)系統(tǒng)的失效概率為10–7，達(dá)不到10–9。解決方案1：因失效概率為10–7，對(duì)表2的失效模式1（無法投水）和失效模式2（無通告的過量汲水）梳理出的最嚴(yán)酷工況（60t 應(yīng)急返場(chǎng)著陸/著水）進(jìn)行評(píng)估后決策；解決方案2：對(duì)失效概率提高到10–9帶來的備份系統(tǒng)重量增加進(jìn)行評(píng)估后決策。

（4）根據(jù)滅火任務(wù)系統(tǒng)FHA 分析結(jié)果，“在特殊情況下，載水12t 時(shí)，4個(gè)水箱無法投水”功能失效存在Ⅰ類失效，根據(jù)EE–6 要求，單個(gè)失效狀態(tài)不會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的失效狀態(tài)，因此AG600 飛機(jī)滅火任務(wù)系統(tǒng)需要有備份投水功能。

（5）根據(jù)滅火任務(wù)系統(tǒng)PSSA分析結(jié)果，滅火任務(wù)系統(tǒng)對(duì)其他系統(tǒng)的安全性要求過高，因此系統(tǒng)架構(gòu)需要優(yōu)化。