我國適航規定輕型水陸兩棲飛機部分的修訂建議

董一巍，呂玥萱，殷春平

(廈門大學 航空航天學院，廈門 361102)

0 引 言

近年來，我國在水陸兩棲飛機研發領域取得了里程碑式進展：由中國航空工業集團公司研制的國內首款具有自主知識產權的輕型多用途水陸兩棲飛機——海鷗300，由中國民用航空局依據CCAR-23部適航規定批準研制；中國首次按民航適航規章CCAR-25部自主研制的大型特種用途民用水陸兩棲飛機鯤龍AG600實現成功雙首飛。CCAR-23部《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機適航規定》[1]和CCAR-25部《運輸類飛機適航標準》[2]兩項規章是我國通用飛機適航審定的主要參考，但由于水陸兩棲飛機的獨特設計和特殊用途，審查組和申請人需要在現有適航規定的基礎上，結合國外相似機型的相關適航要求，確定國產水陸兩棲飛機的型號審定標準。

目前，國內針對水陸兩棲飛機通用航空適航審定領域的研究較少，相關研究多聚焦于大型水陸兩棲飛機試驗性質的適航認證。例如，回艷等[3]通過對AG600大型水陸兩棲飛機特種工藝規范的研究，提出了AG600型號的特種工藝適航審查重點，形成了一套特種工藝規范的適航管理流程；何超等[4]參照現行的水陸兩棲飛機適航要求制定了某型水陸兩棲飛機的水上試飛測試改裝方案，為開展相關水上試飛適航驗證工作提供了參考。但上述研究多以現有適航規章為立足點開展，尚未基于水陸兩棲飛機承擔任務的特殊性來審視我國通用飛機適航規定中存在的可改進之處。

鑒于CCAR-23部是針對乘員和起飛重量較小的正常類、實用類、特技類和通勤類飛機型號的適航標準，而CCAR-25部側重于起飛重量較大的運輸類飛機，故本文將根據國內外現有的CCAR-23、CS-23及FAR-23通用航空適航規定，結合輕型水陸兩棲飛機的實際用途，提出我國通用飛機適航規章針對輕型水陸兩棲飛機的修訂建議。經過完善的適航規定可以作為國產輕型水陸兩棲飛機的安全研發導向，以期為其他類型國產水陸兩棲飛機的適航審定提供參考，滿足民用和國防需求。

1 水陸兩棲飛機定義與發展

水陸兩棲飛機指既能在陸地起降，也能在水面上起飛、停泊、降落的飛機。相較于單一功能的陸基飛機或水上飛機，水陸兩棲飛機的優點顯而易見[5]。

(1) 良好的低空飛行能力：水陸兩棲飛機在飛行狀態下可以比一般的飛機和直升機處于更接近地面或水面的高度，能夠直接著水和著陸；

(2) 較強的起降環境適應性：水陸兩棲飛機可以在一般的民用機場和水面較為平穩的水域直接起降，其航路不再受限于專用的機場；

(3) 受天氣狀況影響?。捍昂椭鄙龣C很容易被惡劣天氣因素影響，在遭遇惡劣天氣時難以保持平常的航程和航速，而水陸兩棲飛機可以更及時地到達指定地點完成任務。

水陸兩棲飛機幾乎與水上飛機同時出現，20世紀90年代以來，美國、日本、俄羅斯、加拿大、法國等共研制出水上飛機或水陸兩棲飛機共22個型號，生產總數1 000余架[6]。各國現役水陸兩棲飛機的典型型號如圖1所示。

圖1 現役水陸兩棲飛機典型型號Fig.1 Typical models of active amphibious aircraft

美國是使水上飛機從試驗品階段邁入實用品階段的先驅，如今更多地研制輕型水陸兩棲飛機，較著名的型號有LAKE LA-250、LAKE-LA4-200、塞斯納、美人魚等。

日本于20世紀70年代自行研制列裝了PS-1水上飛機。21世紀，在US-1A的基礎上全面升級，生產了性能更加完備的US-2，它不僅能夠執行搜救任務，還能夠執行海上巡邏和反潛等作戰任務。

俄羅斯在20世紀成功研制了A-40“信天翁”。2002年，Be-200“牽牛星”雙發渦扇消防型水陸兩棲飛機開始批量生產，同時具備發展為反潛巡邏型、海上搜救型和客貨運輸型的潛力。俄羅斯還研制了Be-103輕型水陸兩棲飛機和“澳洲野狗”多用途輕型水陸兩棲飛機。

我國早在1919年就研制了第一架水上飛機“甲型一號”。20世紀70年代，水轟-5成功首飛。20世紀80年代初期，航空工業特種飛行器研究所/通飛研究院自行開發了A1、A2C系列超輕型水上飛機，可用于旅游觀光、航空攝影、農業作業等用途。2010年11月10日，國內首款具有自主知識產權的輕型多用途水陸兩棲飛機——“海鷗300”在石家莊首飛成功。2017年12月，大型特種用途飛機“鯤龍AG600”翱翔藍天，成為我國民航工業發展的又一個里程碑。

2 國內外輕型水陸兩棲飛機適航要求及對比分析

對CCAR-23部和CCAR-25部規章中針對水陸兩棲飛機的條款進行總結歸納，如表1所示，可以看出：兩部規章在一定程度上缺乏對水陸兩棲飛機的適應性。

表1 CCAR-23部和CCAR-25部中水陸兩棲飛機適航條例

鑒于國內同類飛機適航審定經驗相對薄弱，基于美國FAA、歐洲EASA的23部規定(括號內數字為該內容在CCAR-23中的條目)中的相關內容，分析輕型水陸兩棲飛機的具體適航要求。

2.1 國內外輕型水陸兩棲飛機適航要求的共通點

2.1.1 飛行性能和特性

(1) 對正常類、實用類、特技類飛機，抬前輪速度VR是飛行員做出操縱想使飛機升離道面或水面的速度。對水上和水陸兩棲飛機從水面起飛，VR是在所有合理預期的條件，包括紊流和臨界發動機完全失效的情況下，表明安全的速度。(23.51)

(2) 當最大質量不超過2 722 kg(6 000 lb)(1 lb=0.453 592 4 kg)的活塞發動機式水上和水陸兩棲飛機每臺發動機不超過其最大連續功率、起落架處于收上位置、襟翼處于起飛位置、爬升速度符合規定的情況下，該飛機至少具有6.7%的定常爬升梯度。(23.65)

(3) 水上飛機和水陸兩棲飛機，在水面上的任何正常使用速度上，不得有危險的或不可控制的海豚運動特性(23.231)，著落時必須避免大的垂直加速度和水面打轉的傾向(23.75)，并且在最大風速下保持令人滿意的水上航向穩定性和操縱性。(23.233)

(4) 水上飛機或水陸兩棲飛機，在滑行、起飛和著水的任何時候，噴濺不得危險地模糊駕駛員的視線或損壞螺旋槳或飛機的其他部件。(23.239)

2.1.2 結構和載荷

(1) 水上飛機和水陸兩棲飛機的結構必須根據在可能遇到的惡劣海上條件下正常運行時很可能出現的任何姿態，以相應的向前和下沉速度起飛和著水過程中所產生的水載荷進行設計。(23.521)

(2) 必須在直到設計著水質量的各種運行質量下滿足水載荷要求，但在必要條件下必須采用水面設計起飛質量(水面滑行和起飛滑跑的最大質量)。設計重心時需考慮水上飛機結構每一部分的最大設計載荷。(23.523)

(3) 一般起飛情況下，在著水時，假定水上飛機的氣動升力為水上飛機重力的 2/3。(23.525)

(4) 水上和水陸兩棲飛機水面反作用載荷系數計算、著水情況水載荷合力計算、船體和主浮筒底部壓力計算、框架、龍骨和舭結構壓力分布計算、輔助浮筒限制載荷的計算在三部規定中均相同。(23.527～23.535)

(5) 水上飛機或水陸兩棲飛機的每個主浮筒必須具有比在淡水中承托該飛機最大質量所需該浮筒浮力大80%的浮力，并有足夠的水密隔艙來合理保證在任一主浮筒的任何兩個隔艙注滿水時，水上飛機和水陸兩棲飛機仍能浮在水面上而不傾覆。每個主浮筒必須具有不少于4個體積大致相等的水密隔艙。(23.751)

(6) 最大質量等于或大于680 kg(1 500 lb)的船體式水上飛機或水陸兩棲飛機，其船體必須有水密隔艙。對于最大質量等于或大于2 268 kg(5 000 lb)的飛機，其設計和安排應使船體輔助浮筒和氣囊(假如使用氣囊)能在任何兩個相鄰的水密隔艙注滿水時保持飛機漂浮在淡水中而不傾覆；對于最大質量為680 kg(1 500 lb)直到(但不包括)2 268 kg(5 000 lb)的飛機，其設計和安排應使船體輔助浮筒和氣囊(假如使用氣囊)能在任何單個水密隔艙注滿水時保持飛機漂浮在淡水中而不傾覆。(23.755)

(7) 輔助浮筒的安排必須保證當其全部浸沒在淡水中所提供的恢復力矩，至少為水上飛機或水陸兩棲飛機傾斜時產生的傾覆力矩的1.5倍。

2.1.3 航電系統

水上飛機或水陸兩棲飛機所需要的每個停泊燈的安裝必須在大氣潔凈的夜間至少能夠在3.2 km(2 nmile)(1 nmile=1.852 km)的距離內顯示白光，且當該飛機在水上停泊或漂泊時，應盡可能顯示最大無間斷的燈光?？梢允褂猛獠康鯚簟?23.1399)

2.2 國內外輕型水陸兩棲飛機適航要求的差異

2.2.1 CS-23

(1) 評估水上或水陸兩棲飛機的著陸特性并確定著陸距離時，著陸點距離是指飛機以每小時5.6 km(3 kn)(1 kn=1 nmile/h=0.514 444 m/s)的速度降落的距離，而不是對陸基飛機而言的，從著陸點上方15 m(50 ft)(1 ft=0.304 8 m)的飛行路徑上的某一點到飛機完全停穩的水平距離[7]。(23.75)

(2) 評估水上或水陸兩棲飛機的縱向穩定性和操縱性時，應該在適用于該飛機的各種跑道上、盡可能多的不同的水面條件下，起飛、滑行和著陸，直到確定該飛機穩定性和操縱性下的最大浪高[7]。(23.231)

(3) 水陸兩棲飛機應具備適當的航向穩定性和操縱性，可從水中滑行至陸上設施，反之亦然，除非無需這種操作[7]。(23.233)

(4) 具有反推系統的飛機，應該確定在水上飛機的正常水上操作條件下，飛行員的視野不會因為反向氣流的噴射而模糊，導致危險[7]。(23.933)

(5) 對于單發渦輪發動機和往復式發動機的船體式水上飛機，通過順風滑行評估其冷卻性能時，該飛機應以高于步速9.3 km/h(5 kn)的速度滑行至少10 min。每隔1 min記錄冷卻數據[7]。(23.1047)

2.2.2 FAR-23

FAR-23部第五修正案于2017年8月30日生效，在此之前，FAR-23部與我國CCAR-23部對水陸兩棲飛機的適航要求基本一致，但此后FAR-23部不僅取消了實用類、特技類和通勤分類，而且將大部分細則從適航法規中移除，加入行業標準中，其中就包括水陸兩棲飛機的一些條目。目前，與CCAR-23相比，FAR-23中只列出了定常爬升梯度(23.2120)、浮筒浮力要求(23.2310)和航行燈光(23.2530)三方面的水陸兩棲飛機相關規定[8]。

2.3 現有適航標準的特點及不足

FAR-23和CS-23均特別規定了水陸兩棲飛機在飛行性能和載荷方面的適航要求。相比于FAR-23，CS-23涵蓋水陸兩棲飛機的條目較多，提出了該類飛機額外的在起飛距離、起飛速度、水面縱向和航向穩定性、滑行穩定性、噴濺特性和反推氣流噴射安全性方面的要求。通過對比分析，可知：

(1) 在飛行特性方面，現有的適航規定僅對起飛、著陸的極端危險情況予以避免，但飛行性能標準中的大部分參數是按照陸基飛機的工作情況定義的，如起飛滑跑距離、起飛航跡、著陸進場速度、著陸距離等。在地面狀況由硬質地面變為具有一定風浪的水面時，適航參數的種類和定義如果不作改變，將不能適用于水面驗證。

(2) 現有的輕型水陸兩棲飛機的結構和載荷方面的適航標準最為系統和完整，該部分針對水陸兩棲飛機的船體、浮筒、水密艙提出了適航要求，其中主浮筒的設計和穩定性驗證方法也較為成熟[9]，還包括了針對該類飛機的不同任務模式(三種斷階著水情況)下載荷的詳細數值分析過程[10]。但規定仍然缺少該類飛機特有的零件與系統(如水面轉向系統)的相關適航要求。

(3) 在航電系統設計方面，現有適航規定鮮少區分陸基和水上飛機的航電控制系統，未注重水陸兩棲飛機執行特殊任務時面臨的復雜情況，如駕駛艙告警系統的欠缺考量可能會對該類飛機的安全性造成極大影響。

3 對我國輕型水陸兩棲飛機適航審定標準的修訂建議

3.1 起飛特性

現有的23部法規均采用起飛抬前輪速度(VR)來制定一個安全且標準化的程序，VR則由最小定常飛行速度VS1和地面最小操縱速度VMCG共同確定。但是在實際應用中，水陸兩棲飛機水上起飛的情況與陸基飛機在跑道上起飛的情況有很大不同：一是飛機在水面上起飛時受到靜浮力、水動力、氣動力等力和力矩的復雜作用，這些力和力矩會隨著飛機速度和姿態的改變發生巨大變化，造成飛機起飛過程中的縱向不穩定，因此飛機在水面起飛時具有一個與速度和姿態相關的穩定區域[11]，如圖2所示，水陸兩棲飛機的水面最小操縱速度主要受飛機穩定上邊界限制，一旦超出限制，飛機便會出現彈跳、海豚運動等危險動作；二是飛機從水面起飛時不存在抬前輪的動作，飛行員通過操縱升降舵使飛機在不發生“海豚運動”的情況下改變飛機姿態，從而順利升空，在23部中表述為“是在所有合理預期的條件包括紊流和臨界發動機完全失效的情況下表明安全的速度”。

圖2 水陸兩棲飛機水面縱向運動穩定邊界示意圖Fig.2 Diagram of stability boundary of surface longitudinal movement of amphibious aircraft

由此可見，現有的以VR為基礎的標準化程序并不適用于水陸兩棲飛機的適航驗證。應針對水陸兩棲飛機從水上起飛的特點制定符合性適航標準。

針對起飛速度，適航規定里應以最小定常速度VS1或起飛速度VMC為參考，完善對水陸兩棲飛機在水面起飛過程的水面最小操縱速度VMCW和抬前輪速度VR的規定，進而完善飛機的起飛安全速度V2、參考著陸進場速度VREF、加速-停止距離的定義，使其同樣適用于飛機水上起飛的情況。

3.2 水面轉向系統

水舵操縱系統是水上飛機用來控制水上航向的系統，主要靠操縱水舵來獲得水中的操縱力以在水面保持或改變航向[12]。水舵一般安裝在船體式飛機的底面尾部，由一根轉軸控制，飛行員通過蹬動駕駛艙內的腳蹬實現水舵的偏轉，從而操縱航向。某型飛機水舵操縱系統連接原理如圖3所示，水舵與航電系統、機械作動系統相連接，從而實現對飛機水上機動的控制。此系統的典型機型包括俄羅斯的Be-200多用途水陸兩棲飛機和國產水轟-5水上飛機。

圖3 某型飛機水舵操縱系統連接示意圖Fig.3 Diagram of water rudder control system of a certain type of aircraft

目前CCAR-23部中尚無針對水舵操縱系統的適航條款，因此建議增加水舵操縱系統的符合性適航要求，包括但不限于水舵操作要求，水舵與航電系統，機械操作系統交聯規定，水面操縱性能要求，水舵中立位置告警，水舵失效要求等。

3.3 密封和腐蝕防護

復合材料在小型水上飛機上的應用十分廣泛，全復合材料的小型水上飛機并不少見。水陸兩棲飛機的工作環境較為惡劣：飛機在水面滑行取水或著水時，船體直接浸泡在水中，密封性能若較差將導致海水腐蝕機身和機體內部[13]；飛機執行滅火任務時，處于火場的高溫空氣上方，機身易受高溫影響；飛機在高濕度的環境中長期工作，也加重了材料的腐蝕，故而飛機的復合材料必須滿足腐蝕防護和密封設計要求[14]。

在現有的23部規定中，“結構保護”條目(23.609)指出，結構零件應有適當保護、通風排水，以防止使用中由于氣候、腐蝕等原因而引起性能降低或強度喪失；“結構的損傷容限和疲勞評定”條目(23.573)提到了復合材料機體結構的損傷評定，包括腐蝕引起的損傷擴展率。

目前我國已有針對輕型水陸兩棲飛機的結構密封防水和排水設計[15]，包括結合面、填角、縫隙密封防水方法和緊固件濕安裝方法等，并通過了水密試驗驗證，符合適航規定的要求，但現有適航規定中仍缺少水陸兩棲飛機結構和材料的防腐蝕性能、抗高溫性能、密封性能的具體設計要求、工藝質量要求以及相關的零件安裝要求，這將在很大程度上影響水陸兩棲飛機的研發與維護。

3.4 航電系統

目前通用飛機的駕駛艙儀表布置和告警系統設計安裝多是針對常規陸基飛機而言的，當水陸兩棲飛機在執行特殊任務時，不匹配的告警系統可能產生混亂。例如，水陸兩棲飛機進行森林滅火或水上救援時，因為飛行高度過低，可能觸發地形告警、拉起告警等；當飛機在水上滑行、停泊時，觸發起落架收起告警、水密艙進水告警等，這些系統信息會嚴重干擾飛行員對飛機情況的判斷，影響飛行安全。

CCAR-23部第23.1309條“設備、系統及安裝”中規定：當系統和有關部件在單獨考慮以及與其他系統一起考慮時，“必須提供警告信息提醒機組注意系統的不安全工作情況并能使機組采取相應的糾正動作。系統、操縱器件以及有關的監視和警告裝置的設計必須將可能產生附加危險的機組失誤減至最小”。這說明如果告警系統設計理念不明確、設計準則不統一、設計流程方法可操作性不強，對駕駛安全有害無益。

目前各國的23部規定中還沒有出現對水陸兩棲飛機告警系統設計的補充規定，也缺少響應的驗證方法，但一個適合水陸兩棲飛機的、能對復雜任務環境做出準確判斷和智能分析的駕駛艙告警系統是未來該類通用飛機不可或缺的一部分。以降落構型告警系統為例：如果水陸兩棲飛機在襟翼和油門都處于進場位置降落時，起落架未全部放下并上鎖，告警系統應該進行陸上降落告警；起落架并未完全收上到位并上鎖，或水舵處于未回中位置，告警系統應該進行水上降落告警[16]。告警系統可通過情況選擇開關進行控制，如圖4所示。

圖4 水陸兩棲飛機模式選擇告警系統示意圖Fig.4 Diagram of alternative modes alarm system of amphibious aircraft

此外，水陸兩棲飛機要完成水上救援和森林滅火任務，則必須在駕駛艙操作面板上加裝額外的操縱與顯示器件，例如水舵操縱開關、投水滅火開關、投水量實時顯示、水密艙滲漏水液位監控顯示等，此時操作面板的布局設計會更加困難。如果信息集成度較差，駕駛員受到的干擾會很強，極大地影響飛行安全，因此新的適航規定中應針對該類飛機的用途提出更加全面的航電系統適航要求。

4 結 論

(1) 在適航規定的飛行性能中，一部分與地面狀況有關的性能參數沒有考慮水面的特殊情況，飛機的水上操縱性沒有定量的標準描述，應根據水陸兩棲飛機的實際起飛情況在規定中完善此類要求。

(2) 在適航規定的設計與結構標準中，缺少水陸兩棲飛機特有的一些機構和零件的適航評定，而此類機構和零件至關重要，若出現問題，則可能對飛行安全造成極大影響。

(3) 在適航規章的航電系統標準中，現有的規定缺少水陸兩棲飛機因為其特定用途和功能所增設的儀表或電氣系統和設備的標準與限制，要完善這方面的系統規定，很可能要打破目前的駕駛艙操縱面板的設計和電子設備布線模式。

此外，針對輕型水陸兩棲飛機的適航要求仍存在適航驗證與審定難以完成的問題，適航驗證無法做到全面模擬飛機執行任務時的環境請況，如森林大火等；其余適航驗證試驗則可能缺少相應的試驗方法或技術支持，如復合材料防腐蝕性能驗證等。