水上飛機起飛速度適航要求研究

劉勛, 張彤

(民航上海航空器適航審定中心 飛行性能室, 上海 200335)

水上飛機起飛速度適航要求研究

劉勛, 張彤

(民航上海航空器適航審定中心 飛行性能室, 上海 200335)

進行水上飛機的型號合格審定需提出針對其設計和使用特點的特定適航要求。基于水上飛機在起飛過程中的動力學特點,對水上飛機起飛的過程和階段進行了分析,給出了水上起飛的特征速度定義。分析并確定了水上起飛特征速度的相關安全性限制,參考陸上飛機起飛速度適航要求的安全性目標和原則,建立了水上飛機起飛速度的適航要求,并對相應符合性驗證的重要問題進行了探討。

水上飛機; 起飛速度; 適航要求; 符合性驗證

0 引言

水上飛機是指能在水面停泊、起飛和降落的飛機。水上飛機可用于滅火、水上救援等作業任務,是具有重要用途的特種飛行器。隨著我國國民經濟的發展,迫切需要建設和完善國家航空應急救援體系。為了滿足水上救援和森林滅火等應急救援任務的需要,急需發展具備相應功能的大型水上飛機。對于申請型號合格證的水上飛機,需要確定相應的適航要求并在飛機設計中貫徹落實,并最終表明飛機設計對適航要求的符合性。目前中國民航適航規章CCAR25部中的適航條款并不能完全涵蓋大型水上飛機的設計和使用特點,需提出額外的適航要求。

從使用特點來看,水上飛機與陸上飛機的主要區別在于在水面起飛和降落。飛機起飛時,飛行員需要根據飛機的速度變化,在一些特定的速度點進行決策和操縱,確保飛機能夠安全起飛,這些特定的速度點稱為飛機的起飛特征速度。對于陸上飛機,CCAR25.107及其他相關條款[1]對飛機的起飛速度提出了適航要求。由于水上飛機在水面起飛時受力的特殊性,起飛過程和操縱特點都與陸上起飛有較大不同;因此,現行適航規章對陸上飛機起飛速度的相關適航要求,并不完全適用于水上飛機在水面起飛的場景。

由于國內外申請適航取證的水上飛機型號較少,關于水上飛機適航要求的相關資料非常有限。本文針對水上飛機在水面起飛時的特點,對水面起飛的過程、階段以及特殊場景進行分析,進而定義水面起飛的特征速度并建立相應的適航要求。

1 水上飛機起飛特點和特征速度定義

1.1 水上起飛的過程和階段

對于陸上飛機的起飛,飛機從跑道上的滑跑起點開始加速至抬頭速度,飛機抬頭拉起離地,并繼續爬升直到高于起飛表面450 m,其中在高于起飛表面10.7 m前必須達到起飛安全速度V2,以滿足后續爬升梯度和機動能力的要求。陸上飛機的起飛過程和階段如圖1所示[2]。

圖1 陸上起飛階段Fig.1 Takeoff phases on land

水上飛機沒有起落架支撐,在水面滑行時受到浮力、水動力、空氣動力的共同作用,這些力隨著滑行速度的增大而不斷變化。由于在水面滑行受力的特殊性,水上飛機在水面滑行時的縱向姿態(飛機船體縱傾角)有一個穩定范圍,且隨著速度的變化不斷變化。如果飛機的縱傾角超出這一穩定范圍,飛機會產生海豚跳或跳躍不穩定[3]。由于縱傾角穩定范圍的限制,水上飛機在離水前需要保持一定的縱向姿態,不能進行大幅度的姿態調整,飛機在一定速度下以接近“自然離水”的形態離水。因此,水上飛機不能以與陸上飛機類似的拉桿抬頭動作離水,但飛行員可以通過小幅度調整操縱(如帶桿),輔助飛機以一定姿態離水[4]。

水上飛機離水后,為了縮短起飛距離,需要盡快抬頭拉起。但水上飛機抬頭時的速度應滿足后續起飛爬升梯度要求,因此水上飛機需要繼續貼近水面飛行,并加速至抬頭速度再抬頭拉起。參考陸上起飛爬升的要求,水上飛機抬頭速度應使飛機在10.7 m高度前能夠達到起飛安全速度V2W之后,飛機必須以盡可能接近但不小于V2W的速度繼續爬升至高于起飛表面120 m,加速后最終爬升到450 m,完成水上起飛的過程。由于水上飛機起飛過程中沒有收起落架的動作,根據起飛爬升的分段原則以及爬升梯度制定的實質要求,可以按照到達離水面10.7 m來劃分起飛爬升的第一段和第二段。即從水上飛機抬頭拉起到距水面10.7 m之間為第一段,從10.7 m到高于起飛表面120 m加速開始點之間為第二段。水上飛機的起飛過程和階段如圖2所示。

從上述分析可以看出,水上飛機起飛過程與陸上飛機起飛的區別主要在于從水面滑行加速起點至高于水面120 m的加速開始點為止的這一階段,這一階段包括以下4段:

(1) 水面滑行段:從飛機滑行起點加速至飛機離水;

(2) 貼水加速段:從飛機離水繼續貼水飛行加速至飛機抬頭拉起;

(3)起飛爬升第一段:從飛機抬頭拉起至10.7 m高度;

(4)起飛爬升第二段:從10.7 m到高于水面120 m的加速開始點。

圖2 水上飛機起飛階段Fig.2 Takeoff phases for seaplane

1.2 與起飛操縱相關的特征速度定義

從上述水上起飛的過程和階段可以看出,飛行員在駕駛水上飛機的起飛過程中,需要重點關注和明確離水的時機和抬頭的時機,因此離水速度和抬頭速度是水上起飛過程中必須定義的特征速度。除此之外,與陸上起飛類似,必須考慮在起飛過程中發生單發失效的情況下,飛機能否繼續起飛,需制定水上起飛的起飛決斷速度。因此,在水上飛機起飛過程中,與飛行員操縱相關的特征速度定義為:

(1)離水操縱速度VGW:飛機開始離水的速度。在此速度下飛行員可以通過小幅度操縱調整,使飛機在滑行縱傾角穩定范圍內的姿態離水。

(2) 騰空速度VLOFW:飛機在VGW開始離水后,飛機完全離水的速度。

(3) 抬頭速度VRW:飛機離水后抬頭拉起時的速度。在此速度下,飛行員可以拉桿使飛機抬頭爬升,并使飛機在10.7 m之前達到安全起飛速度V2W。

(4)起飛決斷速度V1W:該速度是飛機在起飛過程中發生單發停車時,飛行員可以中斷起飛的臨界速度。飛機在這一速度前發生單發停車,飛行員可以減速中斷起飛;而當飛機速度大于這一速度,必須繼續起飛。

(5)起飛安全速度V2W:水上飛機起飛安全速度V2W與陸上飛機的起飛安全速度定義相同。在此速度下,可以提供后續爬升所有要求的爬升梯度和機動能力。

2 與特征速度相關的限制分析

為了保證水上飛機起飛過程的安全性,必須確定上述特征速度的限制范圍,并定義相應的限制速度。考慮水上起飛的特點,在定義限制速度時,需考慮以下幾個方面的要求:

(1)水面縱向姿態控制要求。前文已說明,水上飛機在水面滑行過程中,縱向姿態需要保持在縱傾角的穩定范圍內。隨著滑行速度的增加,飛機縱向姿態穩定范圍逐漸變小,飛機的縱向控制變得越來越困難,飛機必須盡快離水。因此,需要確定飛機在水面滑行時能夠保持縱向穩定性的最大速度,作為飛機離水速度的上限。

(2)單發失效條件下繼續起飛時保持航向的要求。相對于陸上跑道的有限寬度,水上飛機在水面起飛時在航向和空間上具備更大的自由度,但也需要考慮飛機在有限空間的水域起飛時保持航向的要求。在出現單發失效時,如果要繼續起飛,飛機需要具有足夠的航向操縱效率,保證飛機在不對稱推力條件下能保持原來的航向。因此,需要確定水上飛機的水上最小操縱速度,以明確單發失效時能保持航向操縱的最小速度限制。根據前述分析,水上飛機在抬頭前包括水面滑行段和貼水加速段,在確定水上最小操縱速度時,需要考慮飛機仍然在水面滑行以及飛機離水后貼水飛行時的兩種情形[5],并考慮與離水速度的關系,取兩種情形下的較大者作為水上最小操縱速度。需要注意的是,對于在水面滑行和貼近水面飛行兩種情形,為防止翼尖或者浮筒著水,都需要保持機翼水平。因此在確定水上最小操縱速度時需要保持機翼水平。

(3)在貼水飛行段中斷起飛的要求。根據水上飛機的起飛過程可知,水上飛機在離水后才會抬頭拉起,如果在抬頭前的貼水飛行段發生單發停車,仍然可以實施中斷起飛,此時飛機可以減速并重新落回水面，并繼續滑行減速至停止。飛機在落回水面的過程中,必須考慮速度過大導致的著水沖擊載荷過大、超出結構限制以及著水后的操縱性問題,因此需要確定飛機的起飛決斷速度設置上限。

基于以上分析,在定義和制定水上飛機起飛特征速度時,需定義并確定以下限制速度:

(1)水面最大操縱速度VMAXCW:該速度是在水面滑行時,能夠保持縱向安全可控的最大速度。飛機的騰空速度VLOFW不能超過VMAXCW。

(2)水上最小操縱速度VMCW:該速度是飛機在水面滑行或貼水飛行時,若臨界發動機突然失效,僅使用氣動舵面操縱就可以控制飛機,并按照初始的航向繼續安全起飛的最小速度。

(3)最大中斷速度V1MAXW:該速度是飛機在水面滑行或貼水飛行時可以安全中斷起飛的最大速度。在確定V1MAXW時,需要考慮當在貼近水面飛行時,在重新落入水中并減速的過程中能夠安全可控,并不會對機體結構造成損傷。

綜上所述,水上飛機起飛的相關速度如圖3所示。

圖3 水上飛機起飛相關速度Fig.3 Schematic diagram for seaplane takeoff speeds

3 適航要求和符合性驗證考慮

3.1 水上起飛速度適航要求

參考陸上飛機對起飛速度適航要求的目標和原則,除了本文第2節所述的速度限制外,在確定水上起飛速度的安全性要求時,還需考慮以下限制:

(1)為了防止飛機在離水后失速,或在飛機抬頭過程中產生影響飛行的失速警告,飛機的離水操縱速度及抬頭速度需要建立相對失速速度/失速警告速度的裕度;

(2)為了保證飛機在抬頭后,在臨界發動機停車情況下具有足夠的航向操縱效率,飛機的抬頭速度需要建立相對空中最小操縱速度VMCA(由CCAR25.149條確定)的裕度。

綜上所述,建立水上起飛速度的適航要求如下:

(1)離水操縱速度VGW:VGW是飛機開始離水的校正空速,需滿足:

①VGW不小于飛機的失速速度;

②飛機在VGW開始離水時,得到的完全離水騰空校正空速VLOFW不能超過VMAXCW。

(2)起飛決斷速度V1W:V1W是申請人選定的水面起飛速度,以校正空速表示。V1W需滿足:

①V1W≥VEFW+ΔV,其中VEFW為假設臨界發動機失效時的校正空速,由申請人選定,VEFW≥VMCW;ΔV為飛行員意識到臨界發動機失效的反應時間內的速度增量。

②V1W≤V1MAX。

(3)抬頭速度VRW:VRW以校正空速表示,需滿足:

①VRW≤V1W;

②VRW≤VLOFW;

③VRW≤1.05VMCA;

④小于失速警告速度;

⑤當臨界發動機在VEFW失效時,使飛機在起飛表面以上10.7 m以前達到V2W的速度。

(4)起飛安全速度V2W:V2W以校正空速表示,由申請人選定。V2W可參照CCAR25.107(b)和(c)[1]陸上飛機起飛安全速度V2一致的要求確定。

3.2 單發停車時的爬升梯度適航要求

根據1.1節對水上飛機起飛航跡及分段的分析, 水上飛機起飛爬升第一段和第二段與陸上飛機有較大區別。陸上飛機根據起落架放下收起的分段及相應單發停車時的爬升梯度要求CCAR25.121(a)和(b)[1]不能直接應用于水上飛機,需要按照水上飛機第一段和第二段的特點及階段劃分對爬升梯度要求進行修訂和明確。可建立如下水上飛機單發停車爬升的梯度要求:

(1)第一階段：飛機在第一階段沿飛行航跡的臨界起飛形態和水上起飛形態(無地面效應),在速度VRW時的定常爬升梯度滿足雙發飛機必須為正、三發飛機不得小于0.3%、四發飛機不得小于0.5%的條件為:

①臨界發動機停車,而其余發動機處于按水上起飛航跡規定的VRW可用功率(推力)狀態;

②重量等于按水面起飛航跡規定的速度為VRW時的重量。

(2)第二階段:以水上起飛所采用的起飛形態(無地面效應)在速度V2W時的定常爬升梯度滿足雙發飛機不得小于2.4%、三發飛機不得小于2.7%、四發飛機不得小于3.0%的條件為:

①臨界發動機停車,而其余發動機(除非隨后沿飛行航跡在飛機達到起飛表面120 m高度之前,存在更臨界的動力裝置運轉狀態)處于按水上起飛航跡確定的10.7 m處的可用起飛功率(推力)狀態;

②重量等于按水上起飛航跡確定的10.7 m時的重量。

3.3 水面起飛速度的符合性驗證考慮

在針對具體型號進行適航審定時,對于本文建立的適航要求,在確定符合性方法及表明對適航要求的符合性時,有以下幾個方面的問題需要考慮:

(1)盡管本文對VMCW,V1W和V1WMAX的設想是離水后的速度,但對于特定水上飛機的構型和設計,這些速度也可能是離水前的速度。這種情況下,本文

提出的適航要求仍然適用,但在進行符合性驗證時,需要結合離水速度進行具體分析。

(2)在進行確定VMCW的試驗時,試驗條件可以參考確定陸上飛機地面最小速度VMCG的試驗條件給出。當VMCW是離水后的速度,如果進行試驗驗證存在較大風險,可以考慮采用分析計算的方法來確定VMCW。如分析并建立VMCW與空中最小操縱速度VMCA之間的關系。

(3)確定水面最大操縱速度VMAXCW和水上起飛最大決斷速度V1MAXW是進行適航符合性表明的難點。適航要求只給出了定性描述,在建立符合性方法時,需進一步明確這兩個速度的標準或指標,必要時需要進行試飛驗證。

4 結束語

本文根據水上飛機在水面起飛的特點,給出了水上飛機的起飛特征速度定義、相應的安全性限制以及總體適航要求。在對具體型號進行適航審定和符合性驗證時,還需針對水上飛機的特定構型和設計特點對適航要求的某些標準和指標進行明確,確定可接受的符合性驗證方法。基于本文給出的水上起飛過程和速度定義,可以進一步建立水上起飛距離和水上加速-停止距離的定義和適航要求,確定水上飛機的水面起飛性能數據。

[1] 中國民用航空局.CCAR-25-R4 運輸類飛機適航標準[S].北京:中國民用航空局,2011.

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

[3] 《中國航空百科詞典》編輯部.中國航空百科詞典[M].第1版.北京:航空工業出版社,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.

(編輯：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;

時間:2015-06-24 15:03

劉勛(1981-)，男，四川彭州人，工程師，碩士，研究方向為飛機適航與安全。

V271.5; V328.3

A

1002-0853(2015)05-0456-04