直升机水上迫降适航验证研究

王昆仑 王开通

摘要：在某型直升机适航取证的过程中，需要进行直升机水上迫降适航验证。直升机水上迫降是《中国民用航空规章》第29部的重要条款，通过对某型直升机水上迫降适航验证过程研究，采用在直升机三维模型中建立吃水线，并分析不同重量情况下的吃水线变化情况，从而解释直升机着水后的稳定性，随后利用公式计算得出水上漂浮时间，为今后直升机水上迫降适航验证提供了解决思路，对于直升机水上迫降适航验证具有一定意义。

关键词：水上迫降；适航验证；漂浮时间计算；适航条款；旋翼航空器；直升机

中图分类号：V271文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.11.011

在进行民用直升机水上迫降适航审查时，漂浮和配平是重要的审查内容，它要求在临界重量和重心组合的情况下，应有足够的漂浮时间保证人员的安全撤离，而不发生倾覆[1]。

国外对于直升机水上迫降的适航验证有完整的理论分析和试验验证，国内由于主要国产民用机型均为国外引进，故其适航验证采用类比居多，理论计算和试验验证较少[2-5]。

本文首先介绍了某型直升机漂浮系统组成及水上迫降设计说明，随后对相关适航条款进行了分析，通过水上漂浮计算分析，得出了水上漂浮计算方法，对民用直升机水上迫降适航验证具有一定参考价值[6]。

1概述

1.1应急漂浮装置组成

某型直升机采用的应急漂浮装置用来使直升机在水上应急降落时提供足够的浮力，使乘员得以全部撤离。该装置包括：由密封油箱舱和尾梁提供的永久浮筒舱；在直升机两侧对称布置由驾驶员操纵的4个充气浮筒（前浮筒由两个圆筒形浮筒组成，每个浮筒有三个独立的隔舱，收藏在容器内并固定在前机身1/4处，并用蒙布保护；后浮筒由两个球形浮筒组成，折叠起来放在起落架后面机身上的容器中）。两个充氦气的“KEVLAR”纤维气瓶，固定在后浮筒的容器上，左、右各有一个气瓶，同时为直升机同一侧的两个浮筒供气。每个气瓶装有一个电激发的、由两个独立供电电路控制的两个易熔圆盘爆炸帽。易熔圓盘的熔化信号，足以控制爆炸帽的工作。两个压力表连接到气瓶上（每个气瓶一个），分别在左右起落架舱可以看到该压力表。

两个气瓶共用一个操纵盒。可以按压控制盒上的按钮或按压总距杆上的按钮给应急浮筒充气；爆管点火后，在海平面，国际标准大气状态下，充气时间最多为3～4s。应急漂浮装置示意图如图1所示。

1.2某型直升机水上迫降设计说明

直升机在入水前完好无损，而且除发动机外，所有的操纵装置和主要系统功能正常。此时，直升机在水上的应急降落才被视为水上迫降。因此，在水上迫降情况下，直升机的姿态是可以控制的，可以保证在触水时，直升机保持水平姿态。

在水上迫降情况下，直升机失去动力，这时尾桨的桨距近似为零，其在水中所产生的推力可忽略不计。因此，尾桨着水不会对直升机的水上迫降漂浮状态产生影响。

某型直升机水上迫降正常程序增加如下内容（按《飞行手册》“正常程序”）：穿上救生衣；起飞前，驾驶员和操纵员应穿上救生衣。

某型直升机水上迫降程序如下（按《飞行手册》“应急程序”）：确保应急浮筒电气控制开关扳到“接通”（ARM）位置上，并采用如下程序：（1）收起落架；（2）当速度约为130km/h、高度约为60m时，按浮筒充气按钮使浮筒充气；（3）如果风小，直升机应平行于波浪飞行，强风时，直升机应在风向和波浪之间飞行，且使机头位于逆风方向；（4）应该以尽量低的速度在水上降落；（5）在触水时，保持直升机处于水平姿态；不要减小总桨距；（6）把燃油流量操纵把手向后放到极限位置；（7）使用旋翼刹车；（8）断开“应急切断开关”；（9）解开安全带；（10）抛舱门；（11）将救生筏抛出舱外，收紧挂绳直到使救生筏膨胀自动充完气为止；（12）登上救生筏；（13）使救生衣充气。

需要注意的是，只有从直升机撤离后才能给救生衣充气；只有在直升机外才能使救生筏充气；在浮筒已充气的情况下，只有在水上降落之后，才能抛放舱门。

以上水上迫降程序保证了直升机在水面上的平稳降落，又给出了乘员安全撤离的方法。

2适航条款符合性分析

2.1 CCAR-29.801条（a）条符合性分析

本条款采用MOC2（分析/计算）方法进行适航符合性验证，具体内容如下[7]。

某型直升机驾驶舱门和中舱门尺寸分别为宽0.9m，高1.16m，滑动舱门玻璃宽0.9m，高0.58m，机上的6名成员（包括两名机组成员，4名旅客）。两名机组成员需要满足“第29.805条飞行机组应急出口”的要求，某型直升机左右驾驶员舱门为IV型出口且在水线以上，符合第29.805条对机身两侧IV型出口的要求。4名旅客需要满足“第29.807条旅客应急出口”的要求，某型直升机左右中舱门及左右滑动舱门玻璃为IV型出口且在吃水线以上（吃水线变化计算方法见本文第4章），符合第29.807条对机身两侧IV型出口的要求。

针对CCAR-29.1411条的要求，相关分析如下。（1）可达性。应急使用的救生筏安装在直升机座舱内地板上，靠近应急舱门，可以很容易接近，并抛放打开使用。（2）存放设施。救生筏安装存放的位置可以直接取用，其位置明显易见；救生筏筏体安装在专用的存放包内，既便于安装存放，也可避免无意中的损坏。（3）救生筏存放的两侧都布置有可应急抛放的舱门，在水上迫降时至少通过其中一个舱门将救生筏投放出舱外。座舱上部左右两侧安装有挂钩座，在救生筏上备有一根带挂钩的系留绳，救生筏舱安装到直升机上后系留绳就连接到挂钩座上，这样可以避免救生筏抛出后被水流冲走。（4）远距离信号发生装置，应急定位发射机就安装在救生筏上，所以靠近供水上迫降时使用的出口处。（5）救生防护用品。供驾驶员和操作员使用的救生防护用品装在救生包里，该救生包安装在救生筏存放包中，可以很容易地取用。

针对CCAR-29.1415条的要求，相关分析如下：某型机所安装的救生筏及救生筏上配备的应急定位发射器满足本条要求；救生筏214606-0经欧洲航空安全局（EASA）批准，见EASA对救生筏的批准文件。

某型直升机备有两只救生筏，该救生筏的额定容量为10人，在超载的情况下其最大可容纳15人。每只救生筏上均带有一根固定绳，固定绳能将救生筏系留在直升机附近。在直升机完全沉入水中时，该绳可以被剪断。每只救生筏上均备有营救设备。每只救生筏上均备有满足经美国联邦航空局（FAA）批准的、符合TSO C91a技术标准规定的应急定位发射机。

2.2 CCAR-29.801条（b）符合性分析

本条款采用MOC1（说明性文件）方法进行适航符合性验证，具体内容如下：水上漂浮装置包括位于直升机两侧左、右两个对称的圆柱形前浮筒装置、两个对称的后球形浮筒，以及由尾梁和燃油箱舱组成的永久性固定的水密结构舱，保证了直升机在应急情况下可以在水上漂浮。

水上迫降的应急操作程序使直升机在应急情况下尽可能地平稳降落在水面上，使直升机保持正常漂浮状态。

以上措施降低了使乘员在水上应急迫降时立即受伤和不能撤离的概率。

2.3 CCAR-29.801条（c）符合性分析

本条款采用MOC2方法进行适航符合性验证，具体内容如下。

某型直升机的外形和法国SA365N3型直升机相似，重量（4250kg）也比法国SA365N3型直升机重量轻，其油箱通气孔、发动机进气口等口盖均在吃水线以上（吃水线变化计算方法见第4节），故参考法国SA365N3型直升机可知某型机满足其对于漂浮性能的要求。

某型直升机的水上迫降特性构型与法国SA365N3型直升机相似，已经验证了在水中降落时可能的运动和状态下，有足够的漂浮性能。

2.4 CCAR-29.801条（d）符合性分析

本条款采用MOC2方法进行适航符合性验证，具体内容如下。

直升机前部两侧可充气浮筒和后浮筒及密闭浮筒舱组成一个三角形漂浮筏，直升机重心位于此漂浮筏对称中心线上方一定高度。当直升机受到俯仰方向的扰动时，直升机前部两个可充气的浮筒和后浮筒提供浮力，从而产生俯仰恢复力矩；当直升机受到滚转方向的扰动时，直升机前机身两侧的可充气浮筒及后浮筒提供浮力，从而产生滚转恢复力矩。因此，直升机在此矩形漂浮筏上的俯仰和滚转方向的平衡是稳定的。

通过分析，直升机在俯仰和滚转方向的平衡是稳定的。在应急浮筒一个气舱破裂时，直升机只需滚转倾斜4°就可以获得平衡浮力的不对称（具体分析过程详见第5节）。

考虑可能的结构损伤和渗漏，某型直升机水上漂浮时间不低于5min（计算过程及结果见第3节）。根据1.2节中的说明，可以保证机上成员有足够的时间离开直升机，并乘上符合29.1415条要求的救生筏。

2.5 CCAR-29.801条（e）符合性分析

某型直升机的外部舱门和窗户结构与法国海豚直升机相同，均能够承受可能的最大局部压力，不影响水上迫降时的使用，满足使用要求。

3水上漂浮计算分析过程

3.1水上迫降情况说明

按美国联邦航空局咨询通告（AC），直升机在水上迫降时，通常两台发动机都已失去提供动力的能力，依靠直升机旋翼自转下滑能力迫降，迫降到水面上后，按飞行手册进行操作，人员迅速撤离。由CCAR-29.563（a）可知，迫降时旋翼升力不超过最大设计重量的2/3；水上迫降时，直升机具有0～15.4m/s（30kn）的前飞速度，最大15°的偏航姿态。

3.2吃水线计算方法

3.2.1建立吃水线参考面

在建模过程中，以Y0为参考建立一条吃水线参考线，以Z平面为参考将参考线建立成面，并与直升机相交，如图2所示。

3.2.2吃水线计算

吃水线参考面建立后，可以通过CATIA自带的功能求得直升机在吃水线下的体积，从而可以得出此时直升机的浮力及浮心。通过调整Z平面数值以及Y0轴与Z平面的角度，使直升机的浮心与重心在一条直线上。当浮心有向前偏离的趋势时，需增加Y0轴与Z平面的角度，当浮心有向后偏离的趋势时，需减小Y0轴与Z平面的角度，当浮心与重心在一条直线上后，此时测量浮力，如不等于重力，则需调整Z平面数值，然后重新将浮心与重心调整到一条直线上，直至浮力等于重力，则此时直升机在水面稳定，得到的吃水线即为直升机水上迫降稳定后的吃水线，具体计算过程如图3和图4所示。吃水线通过计算可以得到，计算结果如图5所示。

3.3漂浮余量计算

参照法宇航“应急浮筒装置”技术文件中的数据和计算方法，进行分析某型系列直升机的漂浮特性。计算状态为：重量为4250kg（X=3990mm）和3250kg（X=4050mm）的后重心情况，由图6可见，选取的计算状态为某型系列直升机后重心的极限状态，此状态通过计算若满足CCAR-29部对水上漂浮要求，则在重量重心包线范围内某型系列直升机都满足CCAR-29部对水上漂浮要求；同时，在建模时应考虑到，某型系列直升机在X=3205mm和X=4630mm之间的地板和货舱地板有4°向上的倾角。

前应急浮筒形状为圆筒形，浮筒长1800mm，对称连接在机体两侧X=885mm和X=2000mm半框上。每个浮筒有三个独立的隔舱；单个应急浮筒的容积为900L，一个气舱破裂后，剩余容积为600L。可充气浮筒的容积为900L×2= 1800L。后应急浮筒形状为球形，单个应急浮筒的容积为560L，起落架等装置的吃水容积虽然较浮筒和密封舱的容積要小，但也应该考虑进水约为50L。浮筒和密封舱容积及其吃水容积见表1。

水的密度按1000kg/m3计算，重量分别取最大起飞重量4250kg、3250kg。

气舱不破裂时，漂浮余量为以下4种情况。4250kg、X= 3990mm情况下：漂浮余量=（5970+50）/4250-1=41.6%； 3250kg、X=4050mm情况下：漂浮余量=（5970+50）/3250-1= 85.2%。一个气舱破裂时，漂浮余量为：4250kg、X=3990mm情况下，漂浮余量=（5970-300+50）/4250-1=34.6%；3250kg、X=4050mm情况下，漂浮余量=（5970-300+50）/3250-1=76%。

3.4漂浮时间计算

由于油箱艙和尾梁舱均为密封的，理论上是不会发生渗漏的，而为了进行漂浮时间的计算，我们假设尾梁舱底部结构存在进口面积为5cm2的缝隙，同时为了保证计算结果的精确，进行分级计算，将渗漏过程划分为三个阶段，渗漏过程是稳定的过程。重量4250kg（X=3990mm）情况下（入水量为V=415L），总的漂浮时间：t=t1+t2+t3=349.5s；重量3250kg（X=4050mm）情况下（入水量为V=495L），总的漂浮时间：t=t1+t2+t3=416.88s。

4吃水线变化计算方法

以3.2.1节计算的吃水面为基准，建立另一平面，该平面与尾梁相交，使两平面之间尾梁的体积保持在400L左右（见图7）。在此情况下，按3.2.2节的方法调整直升机的重心和浮心在一条直线上，同时使直升机在水中的浮力等于重力，如果调整过程中，发现无法达到浮心与重心在一条直线上，可调整两平面之间尾梁的体积，此时得到一条漏水后新的吃水线，据此可计算漏水后舱门附近吃水线的变化范围及在水上的漂浮时间。重量4250kg、后重心3990mm时，中舱门距吃水线变化范围为35～78mm，如图8所示。重量3250kg、后重心4050mm时，中舱门距吃水线变化范围为170～195mm，如图9所示。

由于机身的永久浮筒舱是密封的，所以即使舱门进水，浮筒舱的浮力作用会一直存在，所以机体的漂浮和吃水线的变化过程是一个稳定的过程，不会出现机体迅速下沉的情况。

5直升机漂浮稳定性分析

直升机前部两侧可充气浮筒和永久浮筒舱及后浮筒组成一个三角形漂浮筏（见图10），直升机重心位于此漂浮筏对称中心线上方一定高度。当直升机受到俯仰方向的扰动时，直升机前部两个可充气的浮筒和尾部尾梁永久性浮筒及后浮筒提供浮力，从而产生俯仰恢复力矩；当直升机受到滚转方向的扰动时，直升机前机身两侧的可充气浮筒及后浮筒提供浮力，从而产生滚转恢复力矩。因此，直升机在此三角形漂浮筏内的俯仰和滚转方向的平衡是稳定的。

查阅相关技术资料和文献获得5级海情的一些技术参数：波高为3.25m；风速为14m/s；波浪周期为6.5s，以上数据的选取均为保守方式[8]。

根据AC 29.801 29.801水上迫降（修正案29-12）（b）（3）漂浮与配平，可知波高与波长比为1∶12.5，可计算出纵向倾角为4.57°。在这样的波浪周期和倾角下，飞机的漂浮是稳定的，不影响人员的安全撤离。

参照法宇航“应急浮筒装置”技术文件，在应急浮筒一个气舱破裂时，浮力减小300kg，浮力的不对称导致直升机要滚转一个小角度就可获得平衡。横向倾斜角度可按照下面的方法计算：α=tan[696*0.726（1/600-1/900）/2.4]-1=4.28°这个角度很小，不影响人员的安全撤离。

由此可以得出直升机漂浮计算结果：重量4250kg、后重心时，漂浮余量为41.6%（气舱破裂时为34.6%）；重量3250kg、后重心时，漂浮余量为85.2%（气舱破裂时为76%），漂浮装置可以提供足够的浮力，使直升机漂浮在水面上。直升机在漂浮装置上的俯仰和滚转方向上的平衡是稳定的，可以保证人员安全撤离；从图8和图9可以看出，在直升机漂浮时间内，直升机前舱门底部在水面之上，并且其他舱门也能顺利打开；根据漂浮稳定性试验（试验是在水池中模拟了飞机重量和几何特征的直升机模型），应急浮筒能在5级海况或在2级海况并有一个舱破损渗漏的情况下，根据上面的计算，参考法国原型机型号说明书可知可以保持飞机在水上漂浮5min。如果气舱不完全破裂，隔舱也没有渗漏情况，直升机应该永久漂浮在水面上；通过计算可知，尾梁舱在最不利位置有5cm2面积破损进水口时可保证有5min的漂浮时间[9]。

6结束语

本研究通过某型机进行水上迫降适航验证过程，总结了一套直升机水上迫降适航条款符合性分析方法，提出了一种直升机水上漂浮时间计算方法，解决了直升机水上迫降适航验证的问题[10]。

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Research on Airworthiness Verification of Helicopter Ditching on Water

Wang Kunlun，Wang Kaitong

AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co.，Ltd.，Harbin 150066，China

Abstract： In the process of helicopter airworthiness certification， it is necessary to verify the airworthiness of helicopter forced landing on water. Helicopter ditching on water is an important clause in Part 29 of China`s civil aviation regulations. Through the research on the airworthiness verification process of a type of helicopter ditching on water， the waterline is established in the three-dimensional model of the helicopter， and the variation of the waterline under different weights is analyzed to explain the stability of the helicopter after landing， and then the floating time on the water is calculated by the formula. It prouides reference for the airworthiness verification of helicopter ditching on water.

Key Words： ditching on water； airworthiness verification； floating time calculation； airworthiness clause； rotorcraft； helicopter