水陸兩棲飛機水面起飛性能操穩適航技術研究

蔣 榮 吳 彬

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

水陸兩棲飛機水面起飛性能操穩適航技術研究

蔣 榮1、2吳 彬1

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

分析了現行適航規章對水陸兩棲飛機水面運行的適用要求和不足，并根據水陸兩棲飛機水面運行特點，從適航理念出發對水陸兩棲飛機水面起飛性能操穩適航技術進行了研究，并對相關適航技術的符合性驗證方法提出了驗證思路，為我國制定相關適航標準提供參考。

水陸兩棲飛機；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。水陸兩棲飛機安全性高，飛機噸位不受限制，具有廣闊的應用領域：在軍事上可用于偵察、反潛和救援活動；在民用方面可用于運輸、森林消防、海上搜救、環境監測、空中巡查、航空攝影、旅游觀光等。由于水陸兩棲飛機具有一般陸基飛機和船舶不具備的優良兩棲能力，近年來水陸兩棲飛機在民用方面受到越來越多的國家重視。

根據我國《民用航空法》第四章民用航空器適航管理規定：設計民用航空器及其發動機、螺旋槳和民用航空器上設備，應當向國務院民用航空主管部門申請領取型號合格證書。經審查合格的，發給型號合格證書。由此可以看出，民用水陸兩棲飛機研制必須取得型號合格證書才能進行批量生產，交付客戶使用。目前，我國頒布的適航規章對陸基飛機性能操穩有詳細的條款要求，但適用水上/水陸兩棲飛機水面起飛性能操穩的條款不多甚至缺少一些相關要求，為今后我國民用水上/水陸兩棲飛機的發展，必須根據水上/水陸兩棲飛機水面運行特點制定和完善相關條款要求。

1 水上飛機水面運行特點

要對水陸兩棲飛機水面性能操穩適航技術研究，首先要了解水陸兩棲飛機水面滑行特點。

水陸兩棲飛機在水面起飛與在地面跑道上起飛具有完全不同的特點。飛機在水面起飛時受到水動力、氣動力和靜浮力等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飛行速度變化會發生劇烈變化，導致飛機在水面運動姿態也會發生巨大變化，使得飛機在滑行速度范圍內，運動姿態過大或過小都會產生不穩定的縱搖運動，即水陸兩棲飛機在水面滑行時存在穩定范圍，如圖1所示，飛機在水面以速度V1滑行時，只有操縱飛機運動姿態在θ1與θ2之間運動，才能保證飛機運行安全，一旦超出此范圍，飛機就發生大幅度的縱搖或跳躍等危險運動。

圖1 典型水陸兩棲飛機水面縱向運動穩定邊界示意圖

同時飛機在柔性水面起飛過程中，容易受到波浪和風的干擾發生縱搖，尤其在較惡劣的水面環境起飛時，為減小飛機在水面顛簸和風險，要求飛機離水速度越小越好。

水陸兩棲飛機在水面和地面起飛過程最大不同之處還在于，在水面起飛過程中，飛行員要時刻操縱駕駛桿保持飛機滑行穩定，防止飛機進入不穩定區域發生危險的縱搖運動，也就是常說的“海豚運動”，因此，在水面起飛過程中，飛行員需根據飛機運動狀態進行推拉桿操縱。此外，飛機離水時沒有抬前輪動作，這與陸基飛機離地操縱的另一重要差別，飛行員主要通過操縱升降舵改變飛機離水姿態使飛機安全離水升空，因此，CCAR-25-R4《運輸類飛機適航標準》中對陸機起飛性能要求的條款有很多不適用于水陸兩棲飛機在水面起飛要求，需根據水陸兩棲飛機水面運行特點和適航理念和原則制定相應規范

2 現行適航規章對水上飛機的要求

對現行CCAR-25-R4 B分部飛行進行梳理，適用水上飛機水面起飛性能操穩的條款見表1。

表1 水上飛機水面性能操穩適用條款

CCAR-25-R4 B分部條款除表1中所列外，其他條款均根據陸基飛機起飛安全要求編制，不適用于水上飛機在水面起飛滑跑，而這些要求對飛機水面起飛性能、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，應對水上/水陸兩棲飛機在水面起飛過程中的起飛速度、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

適航是民用航空運輸一次次慘痛的代價總結出來的。從上世紀30年代人們首次提出適航，歷經80多年的發展，適航得到了世界各國的認可和重視，隨著適航技術發展，民用航空運輸安全性不斷提高，同時民用航空工業得到了快速發展?？梢哉f適航是來源于公眾利益對民用航空工業的需求，同時民用航空工業是適航技術發展的基石，適航也隨著航空工業的進步而發展。適航標準是民用航空飛行器安全飛行的最低標準，安全和以人為本是適航的核心理念和原則。

水陸兩棲飛機作為運輸類飛機中重要成員，在民用方面具有廣泛的用途。進行民用水陸兩棲飛機設計生產時，必須滿足國家相關適航標準，才能獲得用戶的認可和經濟效益。隨著國家經濟發展，對水陸兩棲飛機的需求也非常迫切，水陸兩棲飛機研制相關適航標準的不足，制約了我國相關技術產品的開發。因此，根據水陸兩棲飛機水面運行特點和適航理念及原則開展水陸兩棲飛機水面性能操穩適航技術研究，完善相關適航標準非常有必要。

4 水面性能操穩適航技術研究

4.1 適航標準研究

進行水陸兩棲飛機水面性能操穩適航標準研究，核心是如何通過對飛機在水面起飛過程中的重要速度點進行約束，確保飛機在水面起飛過程中的安全性。盡管水陸兩棲飛機在水面起飛過程操縱特點與在地面起飛過程不同，但是從安全角度考慮，兩者是一致的。

水陸兩棲飛機在陸地跑道起飛過程中，關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§25.107“起飛速度”確定臨界發動機失效速度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，通過臨界發動機失效速度VEF和最小安全離地速度VMU共同確定抬前輪速度VR。

同樣，水陸兩棲飛機在水面起飛過程中，若確定水面最小操縱速度VMCW和最小安全離水速度VMUW，可參考陸基飛機適航標準制定水面臨界發動機失效速度VEFW和離水操縱速度VWOF。理論上確定了飛機在水面起飛過程中的各重要速度點，最終通過加速停止距離、起飛航跡、起飛距離和起飛滑跑距離等科目飛行試驗判斷相關速度選擇的合理性以及對適航條款的符合性。

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在地面起飛過程中，飛機在該速度突發發動機失效，飛行員采用正常的駕駛技巧能夠操縱飛機繼續起飛，而不至于沖出跑道，并且操縱桿力不超過667 N。水陸兩棲飛機起降水域一般為較寬闊河流、湖泊、水庫和海洋，同時水流速度對飛機橫向偏移也會產生影響，在制定水面最小操縱速度時不宜對飛機橫向偏移距離進行限制，但須根據飛機在水面起飛環境特點，考慮側風的影響。

由上可知，制定水面最小操縱速度應考慮飛機構型、可用發動機功率、重量、重心和90°正側風以及飛機是否配平等因素的影響。

4.1.2 最小安全離水速度VMUW

水陸兩棲飛機水面最小安全離水速度對應于飛機最大的離水姿態，由于水陸兩棲飛機在水面滑行時存在穩定范圍，因此，水陸兩棲飛機水面最小安全離水速度主要受飛機穩定上邊界限制。

水上飛機穩定上邊界受裝載狀態影響，水面最小安全離水速度應考慮飛機構型、重量、重心和推力（單臺發動機失效）的影響。

4.1.3 離水操縱速度VWOF

水面最小安全離水速度VMUW是飛機在給定起飛構型條件下，主要受飛機穩定上限限制的最小離水速度。實際飛行員操縱飛機離水時，水面最小安全離水速度不能直接用于飛行員操縱飛機，而應該考慮一個安全操縱余量，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，可取105%VMUW。

4.2 符合性驗證思路和方法

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確定目標最小操縱速度的方法進行試驗。試驗時，飛機處于起飛構型，機頭對準航道后，將發動機油門推至最大狀態，當飛機加速至目標速度后，突然將臨界發動機油門調整至慢車狀態。臨界發動機失效后，操縱方向舵，糾正航向。

水面最小操縱速度飛行試驗應考慮重量最大的情況，并且應在不利飛機操縱的后重心位置和正側風條件下進行。最終表明水面最小操縱速度的符合性，需提供飛行試驗航向操縱時間歷程曲線、方向舵操縱桿力時間歷程曲線、航向偏離和工作發動機拉（推）力曲線以及試飛員的評述。

4.2.2 最小安全離水速度VMUW

水陸兩棲飛機最小安全離水速度VMUW主要受到飛機水面起降穩定上的限制。在進行該項目驗證時，可以通過水池帶動力模型試驗或自由飛模型試驗，但最終還需通過實機試飛來驗證，模型試驗結果僅作為實機飛行試驗的一個參考結果。進行實機飛行試驗時，為防止飛機進入不穩定區域發生危險，應根據模型試驗結果選擇合適的離水姿態和速度，逐步逼近飛機最小安全離水速度。

水面最小安全離水速度飛行試驗應考慮水陸兩棲飛機不同構型和水面使用所有重量、重心包線范圍內的臨界狀態。若不同推力狀態對飛機穩定上限有影響，還需考慮全發正常工作和單發停車兩種狀態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人根據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 結束語

大型滅火/水上救援水陸兩棲飛機是我國第一架按照CCAR-25設計的飛機，自立項以來，水動專業設計人員根據型號取證需要，開展了大量水陸兩棲飛機水面性能操穩適航技術研究，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水動專業適航審定基礎，為其水面性能操穩適航工作奠定了重要基礎。

[1] GJB 185-1986 有人駕駛飛機（固定翼）飛行品質[S].

[2] AC25-7C 美國聯邦航空局咨詢通報《運輸類飛機合格審定飛行試驗指南》[S].

[3] 鄭作棣. 運輸類飛機適航標準 技術咨詢手冊[M].北京：航空工業出版社，1995.

[4] 陳晨. 民用飛機飛行試驗標準現狀及思考[J].航空標準化與質量，2009年第5期.

[5] 白康明，李巖，張越梅. 民機適航審定與標準化[J]. 航空標準化與質量，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