水陆两栖飞机水面起飞性能操稳适航技术研究

蒋 荣 吴 彬

(1.中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035；2.海军工程大学，湖北 武汉 430033)

水陆两栖飞机水面起飞性能操稳适航技术研究

蒋 荣1、2吴 彬1

(1.中国特种飞行器研究所，湖北 荆门 448035；2.海军工程大学，湖北 武汉 430033)

分析了现行适航规章对水陆两栖飞机水面运行的适用要求和不足，并根据水陆两栖飞机水面运行特点，从适航理念出发对水陆两栖飞机水面起飞性能操稳适航技术进行了研究，并对相关适航技术的符合性验证方法提出了验证思路，为我国制定相关适航标准提供参考。

水陆两栖飞机；适航；水面最小操纵速度；最小安全离水速度；离水操纵速度

水陆两栖飞机不仅可以在地面跑道起降，还可以在水域适合的江、河、湖、海上起降和停泊。水陆两栖飞机安全性高，飞机吨位不受限制，具有广阔的应用领域：在军事上可用于侦察、反潜和救援活动；在民用方面可用于运输、森林消防、海上搜救、环境监测、空中巡查、航空摄影、旅游观光等。由于水陆两栖飞机具有一般陆基飞机和船舶不具备的优良两栖能力，近年来水陆两栖飞机在民用方面受到越来越多的国家重视。

根据我国《民用航空法》第四章民用航空器适航管理规定：设计民用航空器及其发动机、螺旋桨和民用航空器上设备，应当向国务院民用航空主管部门申请领取型号合格证书。经审查合格的，发给型号合格证书。由此可以看出，民用水陆两栖飞机研制必须取得型号合格证书才能进行批量生产，交付客户使用。目前，我国颁布的适航规章对陆基飞机性能操稳有详细的条款要求，但适用水上/水陆两栖飞机水面起飞性能操稳的条款不多甚至缺少一些相关要求，为今后我国民用水上/水陆两栖飞机的发展，必须根据水上/水陆两栖飞机水面运行特点制定和完善相关条款要求。

1 水上飞机水面运行特点

要对水陆两栖飞机水面性能操稳适航技术研究，首先要了解水陆两栖飞机水面滑行特点。

水陆两栖飞机在水面起飞与在地面跑道上起飞具有完全不同的特点。飞机在水面起飞时受到水动力、气动力和静浮力等3种不同力和力矩的共同作用，并且这3种力和力矩随着飞机飞行速度变化会发生剧烈变化，导致飞机在水面运动姿态也会发生巨大变化，使得飞机在滑行速度范围内，运动姿态过大或过小都会产生不稳定的纵摇运动，即水陆两栖飞机在水面滑行时存在稳定范围，如图1所示，飞机在水面以速度V1滑行时，只有操纵飞机运动姿态在θ1与θ2之间运动，才能保证飞机运行安全，一旦超出此范围，飞机就发生大幅度的纵摇或跳跃等危险运动。

图1 典型水陆两栖飞机水面纵向运动稳定边界示意图

同时飞机在柔性水面起飞过程中，容易受到波浪和风的干扰发生纵摇，尤其在较恶劣的水面环境起飞时，为减小飞机在水面颠簸和风险，要求飞机离水速度越小越好。

水陆两栖飞机在水面和地面起飞过程最大不同之处还在于，在水面起飞过程中，飞行员要时刻操纵驾驶杆保持飞机滑行稳定，防止飞机进入不稳定区域发生危险的纵摇运动，也就是常说的“海豚运动”，因此，在水面起飞过程中，飞行员需根据飞机运动状态进行推拉杆操纵。此外，飞机离水时没有抬前轮动作，这与陆基飞机离地操纵的另一重要差别，飞行员主要通过操纵升降舵改变飞机离水姿态使飞机安全离水升空，因此，CCAR-25-R4《运输类飞机适航标准》中对陆机起飞性能要求的条款有很多不适用于水陆两栖飞机在水面起飞要求，需根据水陆两栖飞机水面运行特点和适航理念和原则制定相应规范

2 现行适航规章对水上飞机的要求

对现行CCAR-25-R4 B分部飞行进行梳理，适用水上飞机水面起飞性能操稳的条款见表1。

表1 水上飞机水面性能操稳适用条款

CCAR-25-R4 B分部条款除表1中所列外，其他条款均根据陆基飞机起飞安全要求编制，不适用于水上飞机在水面起飞滑跑，而这些要求对飞机水面起飞性能、操纵性和安全使用都有重要影响，如§25.107“起飞速度”、§25.109“加速—停止距离”、§25.113“起飞距离和起飞滑跑距离”、§25.149“最小操纵速度”。

从适航理念和原则出发，应对水上/水陆两栖飞机在水面起飞过程中的起飞速度、加速—停止距离、起飞距离、起飞滑跑距离和水面最小操纵速度提出明确的适航要求。

3 适航理念和原则

适航是民用航空运输一次次惨痛的代价总结出来的。从上世纪30年代人们首次提出适航，历经80多年的发展，适航得到了世界各国的认可和重视，随着适航技术发展，民用航空运输安全性不断提高，同时民用航空工业得到了快速发展。可以说适航是来源于公众利益对民用航空工业的需求，同时民用航空工业是适航技术发展的基石，适航也随着航空工业的进步而发展。适航标准是民用航空飞行器安全飞行的最低标准，安全和以人为本是适航的核心理念和原则。

水陆两栖飞机作为运输类飞机中重要成员，在民用方面具有广泛的用途。进行民用水陆两栖飞机设计生产时，必须满足国家相关适航标准，才能获得用户的认可和经济效益。随着国家经济发展，对水陆两栖飞机的需求也非常迫切，水陆两栖飞机研制相关适航标准的不足，制约了我国相关技术产品的开发。因此，根据水陆两栖飞机水面运行特点和适航理念及原则开展水陆两栖飞机水面性能操稳适航技术研究，完善相关适航标准非常有必要。

4 水面性能操稳适航技术研究

4.1 适航标准研究

进行水陆两栖飞机水面性能操稳适航标准研究，核心是如何通过对飞机在水面起飞过程中的重要速度点进行约束，确保飞机在水面起飞过程中的安全性。尽管水陆两栖飞机在水面起飞过程操纵特点与在地面起飞过程不同，但是从安全角度考虑，两者是一致的。

水陆两栖飞机在陆地跑道起飞过程中，关键的是地面最小操纵速度VMCG和最小安全离地速度VMU，如果确定了地面最小操纵速度VMCG就可以根据§25.107“起飞速度”确定临界发动机失效速度VEF和起飞决断速度V1。确定了最小安全离地速度VMU就可确定离地速度VLOF，通过临界发动机失效速度VEF和最小安全离地速度VMU共同确定抬前轮速度VR。

同样，水陆两栖飞机在水面起飞过程中，若确定水面最小操纵速度VMCW和最小安全离水速度VMUW，可参考陆基飞机适航标准制定水面临界发动机失效速度VEFW和离水操纵速度VWOF。理论上确定了飞机在水面起飞过程中的各重要速度点，最终通过加速停止距离、起飞航迹、起飞距离和起飞滑跑距离等科目飞行试验判断相关速度选择的合理性以及对适航条款的符合性。

4.1.1 水面最小操纵速度VMCW

制定地面最小操纵速度的主要目的是防止飞机在地面起飞过程中，飞机在该速度突发发动机失效，飞行员采用正常的驾驶技巧能够操纵飞机继续起飞，而不至于冲出跑道，并且操纵杆力不超过667 N。水陆两栖飞机起降水域一般为较宽阔河流、湖泊、水库和海洋，同时水流速度对飞机横向偏移也会产生影响，在制定水面最小操纵速度时不宜对飞机横向偏移距离进行限制，但须根据飞机在水面起飞环境特点，考虑侧风的影响。

由上可知，制定水面最小操纵速度应考虑飞机构型、可用发动机功率、重量、重心和90°正侧风以及飞机是否配平等因素的影响。

4.1.2 最小安全离水速度VMUW

水陆两栖飞机水面最小安全离水速度对应于飞机最大的离水姿态，由于水陆两栖飞机在水面滑行时存在稳定范围，因此，水陆两栖飞机水面最小安全离水速度主要受飞机稳定上边界限制。

水上飞机稳定上边界受装载状态影响，水面最小安全离水速度应考虑飞机构型、重量、重心和推力（单台发动机失效）的影响。

4.1.3 离水操纵速度VWOF

水面最小安全离水速度VMUW是飞机在给定起飞构型条件下，主要受飞机稳定上限限制的最小离水速度。实际飞行员操纵飞机离水时，水面最小安全离水速度不能直接用于飞行员操纵飞机，而应该考虑一个安全操纵余量，因此，有必要定义离水操纵速度VWOF。离水操纵速度VWOF与水面最小安全离水速度VMUW的增量可以参考陆基飞机，可取105%VMUW。

4.2 符合性验证思路和方法

4.2.1 水面最小操纵速度VMCW

水面最小操纵速度VMCW符合性验证方法与地面最小操纵速度VMC一样，采用突然将油门收到慢车状态确定目标最小操纵速度的方法进行试验。试验时，飞机处于起飞构型，机头对准航道后，将发动机油门推至最大状态，当飞机加速至目标速度后，突然将临界发动机油门调整至慢车状态。临界发动机失效后，操纵方向舵，纠正航向。

水面最小操纵速度飞行试验应考虑重量最大的情况，并且应在不利飞机操纵的后重心位置和正侧风条件下进行。最终表明水面最小操纵速度的符合性，需提供飞行试验航向操纵时间历程曲线、方向舵操纵杆力时间历程曲线、航向偏离和工作发动机拉（推）力曲线以及试飞员的评述。

4.2.2 最小安全离水速度VMUW

水陆两栖飞机最小安全离水速度VMUW主要受到飞机水面起降稳定上的限制。在进行该项目验证时，可以通过水池带动力模型试验或自由飞模型试验，但最终还需通过实机试飞来验证，模型试验结果仅作为实机飞行试验的一个参考结果。进行实机飞行试验时，为防止飞机进入不稳定区域发生危险，应根据模型试验结果选择合适的离水姿态和速度，逐步逼近飞机最小安全离水速度。

水面最小安全离水速度飞行试验应考虑水陆两栖飞机不同构型和水面使用所有重量、重心包线范围内的临界状态。若不同推力状态对飞机稳定上限有影响，还需考虑全发正常工作和单发停车两种状态下的最小安全离水速度。

4.2.3 离水操纵速度VWOF

离水操纵速度是申请人根据最小安全离水速度选定的安全操纵速度，确定最小安全离水速度VMUW后，即可确定。

5 结束语

大型灭火/水上救援水陆两栖飞机是我国第一架按照CCAR-25设计的飞机，自立项以来，水动专业设计人员根据型号取证需要，开展了大量水陆两栖飞机水面性能操稳适航技术研究，多次与适航审查代表沟通，制定了水面起飞性能和水面操纵性两份专用条件，确定大型灭火/水上救援水陆两栖飞机水动专业适航审定基础，为其水面性能操稳适航工作奠定了重要基础。

[1] GJB 185-1986 有人驾驶飞机（固定翼）飞行品质[S].

[2] AC25-7C 美国联邦航空局咨询通报《运输类飞机合格审定飞行试验指南》[S].

[3] 郑作棣. 运输类飞机适航标准 技术咨询手册[M].北京：航空工业出版社，1995.

[4] 陈晨. 民用飞机飞行试验标准现状及思考[J].航空标准化与质量，2009年第5期.

[5] 白康明，李岩，张越梅. 民机适航审定与标准化[J]. 航空标准化与质量，2007年第6期.

（编辑：劳边）

V271.5

C

1003-6660（2015）01-0036-03

10.13237/j.cnki.asq.2015.01.010

[收修订稿日期] 2014-07-22