基于结构能力的水上飞机适海性研究

周立胜 杨荣 王艳艳

摘  要：适海性是水上飞机的重要技术指标，结构能力是影响水上飞机适海性的关键因素。研究基于结构能力的水上飞机适海性评估。阐述水上飞机结构能力的重要表征量着水载荷系数的计算原理、公式、影响参数。介绍水上飞机抗浪高度计算方法和流程，给出考虑不同参数影响的特征系数。以某大型水陆两栖飞机工程设计为例，进行断阶着水水面反作用载荷系数计算和适海性评估及变参数分析。提出2种提高适海性的思路。该研究已在型号研制中应用，并可为其他水上飞机或水陆两栖飞机的设计提供参考。

关键词：水上飞机；着水载荷系数；结构能力；适海性；抗浪高度

中图分类号：V271.5      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）06-0092-04

Abstract： Seaworthiness is an important technical index of seaplane， and structural capability is the key factor affecting seaplane seaworthiness. The seaworthiness evaluation of seaplane based on structural capability is studied. The calculation principle， formula and influence parameters of the water landing load factor， which is an important characteristic of seaplane structural capacity， is introduced. The calculating method and process of wave height that the seaplane must overcome are introduced， and the characteristic coefficients considering the influence of different parameters are given. Taking the engineering design of a large amphibious aircraft as an example， the calculation of the water reaction load factor， the assessment of seaworthiness and the analysis of variable parameters are carried out. Two ways to improve seaworthiness are presented. The study has been applied in aircraft project development， and can provide reference for the design of other seaplanes or amphibious aircraft.

Keywords： seaplane; water landing load factor; structural capability; seaworthiness; wave height

适海性是水上飞机（含水陆两栖飞机）的重要技术指标，是指可进行正常海上（水上）起降的海况（水况）要求。一般适海性要求针对不同使用环境，提出了风速和波高极限值[1]约束。因此，水上飞机的适海性有时也被称作“抗浪性”。水上飞机的适海性与许多因素有关，包括人员舒适性（如纵摇、横摇、垂荡和法向过载等）、结构安全性（如水载荷、横滚角、喷溅等）及飞机使用性能（如起飞距离、起飞时长、阻力峰加速度等），对水上飞机适海性的合理评估十分复杂[2-3]。本文主要从工程应用角度出发，参考欧洲航空安全局（EASA）发布的水载荷专用条件[4]，结合某大型水陆两栖飞机的着水载荷系数、着水失速速度、船体外形及设计重量等设计特点，进行基于飞机结构能力的适海性评估，得到了有意义的结论，并应用于型号研制中。

1结构能力

水上飞机的机体结构除满足陆基飞机的一般要求外，还应能承受民用适航规章[5]或军用设计规范[6]规定的所有设计工况下的水载荷。为了保证飞机水上运行时的结构完整性和安全性，水上飞机相比陆基飞机一般具有更强的结构能力和更大的结构重量比例。

表征水上飞机结构能力的主要参数有着水载荷系数和船底压力[4-6]，其中断阶着水载荷系数（n）是最重要的参数。水上飞机正常着水时通常选择以尽可能低的速度和正确的俯仰姿态，使断阶先触水[7]。断阶一般在飞机重心附近，断阶触水对飞机着水后俯仰姿态变化和操纵较为有利。相应地，断阶着水时重心处载荷系数也是最严重的。

着水载荷系数通常由水面反作用载荷系数（即水面反作用力除以水上飞机重力）nw与值为2/3的气动载荷系数叠加组成。

nw有如下形式

式中：C1为水上飞机操纵经验系数，CCAR-25-R4《中国民用航空规章第25部運输类飞机适航标准》第25.527条[5]和GJB 67.5A—2008《军用飞机结构强度规范 第5部分：水上飞机的水载荷》[6]均给出了具体的C1值，且要求此系数不得小于为获得断阶载荷系数最小值2.33所需的值，后者还给出了对应“内海”和“外海”情况的不同的C1值；VS0为襟翼打开在相应的着水位置，不考虑滑流影响的水上飞机失速速度，通常保守地取飞机前重心配平1 g情况下的无动力计算值，由下文式（2）可得；β为重心处斜升角，如图1所示；W为水上飞机设计着水重量。需注意，在将C1值用于nw计算时，需特别注意其与VS0和W的量纲的匹配性，在nw的计算中，VS0取当量空速。

式中：CNmax为飞机最大法向力系数；ρ为空气密度，kg/m3；S为机翼参考面积，m2。

由式（1）—（2）可知，水上飞机的结构能力主要受水上操纵经验系数的选取、船体（水上飞机机身下部通常设计为船体）外形设计、飞机低速气动性能和设计重量等参数影响。

2  适海性评估方法

通常地，水上飞机先根据其技术指标，选择合适的经验系数，设计合理的船体外形，确定水载荷及机体结构能力；然后再进行适海性评估，即确定合适的风浪和涌浪高度限制，以保证水上飞机的水载荷不超过其结构能力。这常意味着着水载荷和适海性需要开展迭代设计，经综合权衡后确定船体外形、结构能力、合理的抗浪高度。

由于水上飞机能安全起降的涌浪高度为风浪高度的一半[4]，故本文主要对风浪高度进行评估。水上飞机的抗浪高度是由不超过设计载荷的情况所确定的，表达式如下

式中：H1/3为有义波高，其物理意义就是把测得的波高按大小依次排列，最大的1/3平均波高值[8]，常认为目测海浪的波高值接近于H1/3，m；L为船底长度，m；H按下式计算

式（4）中的VS0应使用相对水的真速，m/s。其物理意义应为襟翼打开在相应的着水位置时的1 g失速速度叠加风速和风向影响，以计及气象条件对设计水载荷的减缓或加剧作用，从而更合理地考虑适海性与水面大气环境和水文条件的关系。

如果与水面反作用载荷系数nw相匹配的H值等于或小于0.875，则风浪高度可假定为H1/3=0.03L。

3  適海性计算

某大型水陆两栖飞机主要设计用于森林灭火和海上救援，为了降低水载荷、提高适海性，该飞机采用了高升力着水襟翼构型和大长宽比V形船底机身设计。

与着水载荷系数计算和适海性评估相关的主要设计参数见表2。

采用表2中的设计参数，根据前文式（1）—（4），可计算得：C6=0.733 2；C7=0.013 2；C8=0.816 0<1.0。

以海平面、标准大气、无风的理想情况作为基本约束，得到某大型水陆两栖飞机的断阶着水水面反作用载荷系数和适海性风浪高度，详见表3。

显然，设计情况H1/3≤1.25 m时，飞机适海性满足要求。但设计情况1.25 m

对于1.25 m

在ISA（国际标准大气）基础上的温度增量以符号ΔT表示，单位为℃，正值表示高于ISA基础温度、负值表示低于ISA基础温度。风速以符号Vw表示，单位为m/s，正值表示顺风、负值表示逆风。结果如图2所示。

由图2可知，水面反作用载荷系数nw=3.589时，在逆风风速不小于10 m/s（约20节）的情况下，ISA基础温度在-15～+20 ℃的范围内，某大型水陆两栖飞机在海平面上能克服H1/3=2.0 m的风浪，而不会导致水载荷超过设计值，从而保证结构完整性。

抗浪高度H1/3随风速的变化曲线如图3所示。

4  提高适海性的思路

为了提高适海性，增加波浪高度，还可按更高的限制载荷系数进行设计，即提高式（4）中的nw，意味着增大前文所述的经验系数C1。

以极限波高2.0 m为约束，进行反算，可知C1要增大32%，使nw增大至4.75，重心处着水限制载荷系数n将增至5.417。

着水限制载荷系数的提高，意味着水上飞机结构应承受的水载荷增加，需要更强的设计结构能力，将付出重量增加的代价。

提高适海性的另一种思路是，选择合适的着水方向，在不超过设计结构能力的前提下，提高水上飞机的适海性。

海面浪高较高时，通常也对应较大的风速。例如，风浪高度2.0 m时，风速约8～10 m/s[7]。此时若采用逆风着水，则在计算H的式（4）中，VS0可计及风速折减。结果将表3中1.602 m的风浪高度提高至约2.0 m，而着水限制载荷系数和设计结构能力不改变。

5  结束语

着水载荷系数是水上飞机结构能力的重要表征量，受经验系数选取、船底外形设计、飞机低速气动性能和设计重量等参数影响。

基于结构能力，可进行水上飞机适海性评估，评估方法中包含了结构能力、船底形状和尺寸、水面大气环境等因素影响。

其他参数不变的情况下，通过增大经验系数来加强飞机结构能力可提高其适海性，但可能带来不利的增重。

在不改变结构能力的前提下，合理选择着水方向，可适度提高水上飞机适海性。

参考文献：

[1] 褚林塘.水上飞机水动力设计[M].北京：航空工业出版社，2013.

[2] 蒋荣，史圣哲，吴彬，等.基于层次分析法的水上飞机抗浪能力评估[J].南京航空航天大学学报，2017，49（S1）：131-135.

[3] 黄淼，褚林塘，李成华，等.大型水陆两栖飞机抗浪能力研究[J].航空学报，2019，40（1）：121-129.

[4] European Aviation Safety Agency.SC-CVLA-0521-01-i01d2-CRI_C-101-Waterloads[Z].2013.

[5] 中国民用航空局.中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准：CCAR-25-R4[S].2011.

[6] 中国人民解放军总装备部.军用飞机结构强度规范 第5部分：水上飞机的水载荷：GJB 67.5A—2008[S].2008.

[7] U.S. Department of Transportation Federal Aviation Administr

ation Flight Standard Service. FAA-H-8083-23，Seaplane， Skiplane， and Float/Ski Equipped Helicopter Operation Handbook[Z]. 2004.

[8] 陶尧森.船舶耐波性[M].上海：上海交通大学出版社，1985.