水上飞机起飞速度适航要求研究

刘勋, 张彤

(民航上海航空器适航审定中心 飞行性能室, 上海 200335)

水上飞机起飞速度适航要求研究

刘勋, 张彤

(民航上海航空器适航审定中心 飞行性能室, 上海 200335)

进行水上飞机的型号合格审定需提出针对其设计和使用特点的特定适航要求。基于水上飞机在起飞过程中的动力学特点,对水上飞机起飞的过程和阶段进行了分析,给出了水上起飞的特征速度定义。分析并确定了水上起飞特征速度的相关安全性限制,参考陆上飞机起飞速度适航要求的安全性目标和原则,建立了水上飞机起飞速度的适航要求,并对相应符合性验证的重要问题进行了探讨。

水上飞机; 起飞速度; 适航要求; 符合性验证

0 引言

水上飞机是指能在水面停泊、起飞和降落的飞机。水上飞机可用于灭火、水上救援等作业任务,是具有重要用途的特种飞行器。随着我国国民经济的发展,迫切需要建设和完善国家航空应急救援体系。为了满足水上救援和森林灭火等应急救援任务的需要,急需发展具备相应功能的大型水上飞机。对于申请型号合格证的水上飞机,需要确定相应的适航要求并在飞机设计中贯彻落实,并最终表明飞机设计对适航要求的符合性。目前中国民航适航规章CCAR25部中的适航条款并不能完全涵盖大型水上飞机的设计和使用特点,需提出额外的适航要求。

从使用特点来看,水上飞机与陆上飞机的主要区别在于在水面起飞和降落。飞机起飞时,飞行员需要根据飞机的速度变化,在一些特定的速度点进行决策和操纵,确保飞机能够安全起飞,这些特定的速度点称为飞机的起飞特征速度。对于陆上飞机,CCAR25.107及其他相关条款[1]对飞机的起飞速度提出了适航要求。由于水上飞机在水面起飞时受力的特殊性,起飞过程和操纵特点都与陆上起飞有较大不同;因此,现行适航规章对陆上飞机起飞速度的相关适航要求,并不完全适用于水上飞机在水面起飞的场景。

由于国内外申请适航取证的水上飞机型号较少,关于水上飞机适航要求的相关资料非常有限。本文针对水上飞机在水面起飞时的特点,对水面起飞的过程、阶段以及特殊场景进行分析,进而定义水面起飞的特征速度并建立相应的适航要求。

1 水上飞机起飞特点和特征速度定义

1.1 水上起飞的过程和阶段

对于陆上飞机的起飞,飞机从跑道上的滑跑起点开始加速至抬头速度,飞机抬头拉起离地,并继续爬升直到高于起飞表面450 m,其中在高于起飞表面10.7 m前必须达到起飞安全速度V2,以满足后续爬升梯度和机动能力的要求。陆上飞机的起飞过程和阶段如图1所示[2]。

图1 陆上起飞阶段Fig.1 Takeoff phases on land

水上飞机没有起落架支撑,在水面滑行时受到浮力、水动力、空气动力的共同作用,这些力随着滑行速度的增大而不断变化。由于在水面滑行受力的特殊性,水上飞机在水面滑行时的纵向姿态(飞机船体纵倾角)有一个稳定范围,且随着速度的变化不断变化。如果飞机的纵倾角超出这一稳定范围,飞机会产生海豚跳或跳跃不稳定[3]。由于纵倾角稳定范围的限制,水上飞机在离水前需要保持一定的纵向姿态,不能进行大幅度的姿态调整,飞机在一定速度下以接近“自然离水”的形态离水。因此,水上飞机不能以与陆上飞机类似的拉杆抬头动作离水,但飞行员可以通过小幅度调整操纵(如带杆),辅助飞机以一定姿态离水[4]。

水上飞机离水后,为了缩短起飞距离,需要尽快抬头拉起。但水上飞机抬头时的速度应满足后续起飞爬升梯度要求,因此水上飞机需要继续贴近水面飞行,并加速至抬头速度再抬头拉起。参考陆上起飞爬升的要求,水上飞机抬头速度应使飞机在10.7 m高度前能够达到起飞安全速度V2W之后,飞机必须以尽可能接近但不小于V2W的速度继续爬升至高于起飞表面120 m,加速后最终爬升到450 m,完成水上起飞的过程。由于水上飞机起飞过程中没有收起落架的动作,根据起飞爬升的分段原则以及爬升梯度制定的实质要求,可以按照到达离水面10.7 m来划分起飞爬升的第一段和第二段。即从水上飞机抬头拉起到距水面10.7 m之间为第一段,从10.7 m到高于起飞表面120 m加速开始点之间为第二段。水上飞机的起飞过程和阶段如图2所示。

从上述分析可以看出,水上飞机起飞过程与陆上飞机起飞的区别主要在于从水面滑行加速起点至高于水面120 m的加速开始点为止的这一阶段,这一阶段包括以下4段:

(1) 水面滑行段:从飞机滑行起点加速至飞机离水;

(2) 贴水加速段:从飞机离水继续贴水飞行加速至飞机抬头拉起;

(3)起飞爬升第一段:从飞机抬头拉起至10.7 m高度;

(4)起飞爬升第二段:从10.7 m到高于水面120 m的加速开始点。

图2 水上飞机起飞阶段Fig.2 Takeoff phases for seaplane

1.2 与起飞操纵相关的特征速度定义

从上述水上起飞的过程和阶段可以看出,飞行员在驾驶水上飞机的起飞过程中,需要重点关注和明确离水的时机和抬头的时机,因此离水速度和抬头速度是水上起飞过程中必须定义的特征速度。除此之外,与陆上起飞类似,必须考虑在起飞过程中发生单发失效的情况下,飞机能否继续起飞,需制定水上起飞的起飞决断速度。因此,在水上飞机起飞过程中,与飞行员操纵相关的特征速度定义为:

(1)离水操纵速度VGW:飞机开始离水的速度。在此速度下飞行员可以通过小幅度操纵调整,使飞机在滑行纵倾角稳定范围内的姿态离水。

(2) 腾空速度VLOFW:飞机在VGW开始离水后,飞机完全离水的速度。

(3) 抬头速度VRW:飞机离水后抬头拉起时的速度。在此速度下,飞行员可以拉杆使飞机抬头爬升,并使飞机在10.7 m之前达到安全起飞速度V2W。

(4)起飞决断速度V1W:该速度是飞机在起飞过程中发生单发停车时,飞行员可以中断起飞的临界速度。飞机在这一速度前发生单发停车,飞行员可以减速中断起飞;而当飞机速度大于这一速度,必须继续起飞。

(5)起飞安全速度V2W:水上飞机起飞安全速度V2W与陆上飞机的起飞安全速度定义相同。在此速度下,可以提供后续爬升所有要求的爬升梯度和机动能力。

2 与特征速度相关的限制分析

为了保证水上飞机起飞过程的安全性,必须确定上述特征速度的限制范围,并定义相应的限制速度。考虑水上起飞的特点,在定义限制速度时,需考虑以下几个方面的要求:

(1)水面纵向姿态控制要求。前文已说明,水上飞机在水面滑行过程中,纵向姿态需要保持在纵倾角的稳定范围内。随着滑行速度的增加,飞机纵向姿态稳定范围逐渐变小,飞机的纵向控制变得越来越困难,飞机必须尽快离水。因此,需要确定飞机在水面滑行时能够保持纵向稳定性的最大速度,作为飞机离水速度的上限。

(2)单发失效条件下继续起飞时保持航向的要求。相对于陆上跑道的有限宽度,水上飞机在水面起飞时在航向和空间上具备更大的自由度,但也需要考虑飞机在有限空间的水域起飞时保持航向的要求。在出现单发失效时,如果要继续起飞,飞机需要具有足够的航向操纵效率,保证飞机在不对称推力条件下能保持原来的航向。因此,需要确定水上飞机的水上最小操纵速度,以明确单发失效时能保持航向操纵的最小速度限制。根据前述分析,水上飞机在抬头前包括水面滑行段和贴水加速段,在确定水上最小操纵速度时,需要考虑飞机仍然在水面滑行以及飞机离水后贴水飞行时的两种情形[5],并考虑与离水速度的关系,取两种情形下的较大者作为水上最小操纵速度。需要注意的是,对于在水面滑行和贴近水面飞行两种情形,为防止翼尖或者浮筒着水,都需要保持机翼水平。因此在确定水上最小操纵速度时需要保持机翼水平。

(3)在贴水飞行段中断起飞的要求。根据水上飞机的起飞过程可知,水上飞机在离水后才会抬头拉起,如果在抬头前的贴水飞行段发生单发停车,仍然可以实施中断起飞,此时飞机可以减速并重新落回水面，并继续滑行减速至停止。飞机在落回水面的过程中,必须考虑速度过大导致的着水冲击载荷过大、超出结构限制以及着水后的操纵性问题,因此需要确定飞机的起飞决断速度设置上限。

基于以上分析,在定义和制定水上飞机起飞特征速度时,需定义并确定以下限制速度:

(1)水面最大操纵速度VMAXCW:该速度是在水面滑行时,能够保持纵向安全可控的最大速度。飞机的腾空速度VLOFW不能超过VMAXCW。

(2)水上最小操纵速度VMCW:该速度是飞机在水面滑行或贴水飞行时,若临界发动机突然失效,仅使用气动舵面操纵就可以控制飞机,并按照初始的航向继续安全起飞的最小速度。

(3)最大中断速度V1MAXW:该速度是飞机在水面滑行或贴水飞行时可以安全中断起飞的最大速度。在确定V1MAXW时,需要考虑当在贴近水面飞行时,在重新落入水中并减速的过程中能够安全可控,并不会对机体结构造成损伤。

综上所述,水上飞机起飞的相关速度如图3所示。

图3 水上飞机起飞相关速度Fig.3 Schematic diagram for seaplane takeoff speeds

3 适航要求和符合性验证考虑

3.1 水上起飞速度适航要求

参考陆上飞机对起飞速度适航要求的目标和原则,除了本文第2节所述的速度限制外,在确定水上起飞速度的安全性要求时,还需考虑以下限制:

(1)为了防止飞机在离水后失速,或在飞机抬头过程中产生影响飞行的失速警告,飞机的离水操纵速度及抬头速度需要建立相对失速速度/失速警告速度的裕度;

(2)为了保证飞机在抬头后,在临界发动机停车情况下具有足够的航向操纵效率,飞机的抬头速度需要建立相对空中最小操纵速度VMCA(由CCAR25.149条确定)的裕度。

综上所述,建立水上起飞速度的适航要求如下:

(1)离水操纵速度VGW:VGW是飞机开始离水的校正空速,需满足:

①VGW不小于飞机的失速速度;

②飞机在VGW开始离水时,得到的完全离水腾空校正空速VLOFW不能超过VMAXCW。

(2)起飞决断速度V1W:V1W是申请人选定的水面起飞速度,以校正空速表示。V1W需满足:

①V1W≥VEFW+ΔV,其中VEFW为假设临界发动机失效时的校正空速,由申请人选定,VEFW≥VMCW;ΔV为飞行员意识到临界发动机失效的反应时间内的速度增量。

②V1W≤V1MAX。

(3)抬头速度VRW:VRW以校正空速表示,需满足:

①VRW≤V1W;

②VRW≤VLOFW;

③VRW≤1.05VMCA;

④小于失速警告速度;

⑤当临界发动机在VEFW失效时,使飞机在起飞表面以上10.7 m以前达到V2W的速度。

(4)起飞安全速度V2W:V2W以校正空速表示,由申请人选定。V2W可参照CCAR25.107(b)和(c)[1]陆上飞机起飞安全速度V2一致的要求确定。

3.2 单发停车时的爬升梯度适航要求

根据1.1节对水上飞机起飞航迹及分段的分析, 水上飞机起飞爬升第一段和第二段与陆上飞机有较大区别。陆上飞机根据起落架放下收起的分段及相应单发停车时的爬升梯度要求CCAR25.121(a)和(b)[1]不能直接应用于水上飞机,需要按照水上飞机第一段和第二段的特点及阶段划分对爬升梯度要求进行修订和明确。可建立如下水上飞机单发停车爬升的梯度要求:

(1)第一阶段：飞机在第一阶段沿飞行航迹的临界起飞形态和水上起飞形态(无地面效应),在速度VRW时的定常爬升梯度满足双发飞机必须为正、三发飞机不得小于0.3%、四发飞机不得小于0.5%的条件为:

①临界发动机停车,而其余发动机处于按水上起飞航迹规定的VRW可用功率(推力)状态;

②重量等于按水面起飞航迹规定的速度为VRW时的重量。

(2)第二阶段:以水上起飞所采用的起飞形态(无地面效应)在速度V2W时的定常爬升梯度满足双发飞机不得小于2.4%、三发飞机不得小于2.7%、四发飞机不得小于3.0%的条件为:

①临界发动机停车,而其余发动机(除非随后沿飞行航迹在飞机达到起飞表面120 m高度之前,存在更临界的动力装置运转状态)处于按水上起飞航迹确定的10.7 m处的可用起飞功率(推力)状态;

②重量等于按水上起飞航迹确定的10.7 m时的重量。

3.3 水面起飞速度的符合性验证考虑

在针对具体型号进行适航审定时,对于本文建立的适航要求,在确定符合性方法及表明对适航要求的符合性时,有以下几个方面的问题需要考虑:

(1)尽管本文对VMCW,V1W和V1WMAX的设想是离水后的速度,但对于特定水上飞机的构型和设计,这些速度也可能是离水前的速度。这种情况下,本文

提出的适航要求仍然适用,但在进行符合性验证时,需要结合离水速度进行具体分析。

(2)在进行确定VMCW的试验时,试验条件可以参考确定陆上飞机地面最小速度VMCG的试验条件给出。当VMCW是离水后的速度,如果进行试验验证存在较大风险,可以考虑采用分析计算的方法来确定VMCW。如分析并建立VMCW与空中最小操纵速度VMCA之间的关系。

(3)确定水面最大操纵速度VMAXCW和水上起飞最大决断速度V1MAXW是进行适航符合性表明的难点。适航要求只给出了定性描述,在建立符合性方法时,需进一步明确这两个速度的标准或指标,必要时需要进行试飞验证。

4 结束语

本文根据水上飞机在水面起飞的特点,给出了水上飞机的起飞特征速度定义、相应的安全性限制以及总体适航要求。在对具体型号进行适航审定和符合性验证时,还需针对水上飞机的特定构型和设计特点对适航要求的某些标准和指标进行明确,确定可接受的符合性验证方法。基于本文给出的水上起飞过程和速度定义,可以进一步建立水上起飞距离和水上加速-停止距离的定义和适航要求,确定水上飞机的水面起飞性能数据。

[1] 中国民用航空局.CCAR-25-R4 运输类飞机适航标准[S].北京:中国民用航空局,2011.

[2] Federal Aviation Administration.AC 25-7C Flight test guide for certification of transport category airplanes[S].USA:Federal Aviation Administration,2012.

[3] 《中国航空百科词典》编辑部.中国航空百科词典[M].第1版.北京:航空工业出版社,2000:1279-1284.

[4] Federal Aviation Administration.FAA-H-8083-23 Seaplane,skiplane,and float/ski equipped helicopter operations handbook [S].USA:Federal Aviation Administration,2004.

[5] Taylor J,Allen J E,Smith A G.Flight investigation of some airworthiness problems of civil boat seaplanes[R].London:HER Majesty’s Stationery Office,1958.

(编辑：李怡)

Research on airworthiness requirements of takeoff speeds for seaplane

LIU Xun, ZHANG Tong

(Flight Performance Department, SAACC, Shanghai 200335, China)

Specific airworthiness requirements need to be established for the type certification of seaplane according to its design and operation characteristics. Based on the dynamics characteristics of seaplane, the takeoff procedure and phases were analyzed, corresponding takeoff characteristic speeds were defined. The safety limitation was analyzed and ascertained.By referring to the safety objective and philosophy of the airworthiness requirements of land airplane, the airworthiness requirements for seaplane takeoff speeds were established, the key issues of corresponding compliance demonstration were discussed also.

seaplane; takeoff speeds; airworthiness requirements; compliance demonstration

2014-12-15;

2015-03-30;

时间:2015-06-24 15:03

刘勋(1981-)，男，四川彭州人，工程师，硕士，研究方向为飞机适航与安全。

V271.5; V328.3

A

1002-0853(2015)05-0456-04