金 鐳 劉友丹

（中航工業(yè)綜合技術研究所，北京 100028）

自上世紀50年代初期多發(fā)噴氣運輸機引入到民用航空領域后，大型運輸機的跨水飛行活動越來越普遍。上世紀60年代開始，世界各國在制訂民用運輸機適航規(guī)章時，把水上迫降要求作為適航取證的一個內(nèi)容。國外民用飛機制造公司（如波音、空客等）對水上迫降的設計方法均進行過深入的研究與試驗，在其飛機總體布置、結構設計中均有所體現(xiàn)。國內(nèi)研究起步于70年代后期，某研究所在90年代初建造了500m長的國內(nèi)最長試驗水池。新舟60于2004年底申請了水上迫降適航證，2005年初開始試驗。ARJ21于2008年初開始進行水上迫降適航符合性試驗，并已完成大部分試驗。

1 水上迫降基本概念

水上迫降：在緊急情況下把飛機小心地降落在水上，或是強迫著落在水上。

有計劃的水上迫降：即有準備時間的水上迫降。為此需要適當考慮配備應急設備，防備在撞擊導致喪失后緣襟翼和吊艙，在同時增壓區(qū)的機身結構和外部艙門應能承受可能的最大局部水壓力。

無計劃水上迫降：即無準備時間的水上迫降。要求飛機在最大起飛重量情況下具有近海水上迫降的能力。在不考慮救生筏情況下，飛機要有足夠的漂浮時間使乘員進入水中。

美國猶他州鹽湖城安全部與密歇根大學針對應急情況水上迫降的306次事故進行如下分析：

相對其它一些非正常著陸情況，水上迫降安全程度比較高；

沒有發(fā)生碰撞且撤離時也是安全的，那么水上迫降成功率超過95%；

可收放起落架飛機要比固定式起落架飛機水上迫降成功率高；

上單翼飛機水上迫降要比其它布局飛機的成功率低；

在沒有撞擊的情況下，飛機沉沒是水上迫降致命的主要原因。

真實情況下，飛機水上迫降時減速度很大，會發(fā)生跳躍、俯沖、“海豚”運動情況，同時著水撞擊可能使飛機發(fā)生嚴重破壞，最終導致大量進水而很快沉沒。分析水上迫降事故案例后發(fā)現(xiàn)沉沒是水上迫降失敗的主要原因。

2 水上迫降主要相關適航條款和基本要求

以運輸類飛機為例梳理水上迫降相關規(guī)章要求，涉及主要條款和基本要求見表1。

表1對水上迫降相關條款進行分析和解讀，本節(jié)將對重點要求§25.801逐款進行研究。

2.1 §25.801（a）

條款要求：如果申請具有水上迫降能力的合格審定，則飛機必須滿足本條和§25.807（i）、§25.1411和§25.1415（a）的要求。

本款提出水上迫降的設備和應急出口要求。為了使乘員更為有效地撤離，應急出口應位于飛機漂浮狀態(tài)水平線以上某一高度位置。應根據(jù)飛機實際提供的漂浮逃生時間和飛機構型及乘員座位數(shù)要求，確定應急出口的形式和尺寸。由于救生筏很重，在飛機內(nèi)快速拖拉或搬運困難，所以必須存放在出口附近，以便從出口投放出去。有些飛機的救生筏存放在機艙外，投放是在機艙內(nèi)操縱。遠距信號發(fā)射裝置也按如上要求設置。

表1 水上迫降涉及的主要條款和基本要求

條款驗證方法：可以通過水上迫降總體布置來表明對本款的符合性。

2.2 §25.801（b）

條款要求：必須采取同飛機總特性相容的各種切實可行的設計措施，來盡量降低在水上應急降落時因飛機的運動和狀態(tài)使乘員立即受傷或不能撤離的概率。

本款對水上迫降飛機構型提出了設計要求。本款要求飛機采用成功的設計經(jīng)驗提高應急撤離概率，如低置機翼飛機能幫助承受撞擊壓力，增加飛機的漂浮時間，提高生存能力是較佳的總體布置方式。從機身側面圖上看，如機身后部下表面翹曲大，迫降時后體產(chǎn)生吸力，可能使飛機第二次著水，使飛機產(chǎn)生嚴重破損。尾翼位置應足夠高，以避免高能水撞擊。

條款驗證方法：可以通過分析計算（運動姿態(tài)分析、飛行品質(zhì)和穩(wěn)定性分析和載荷計算）和試驗驗證（運動姿態(tài)穩(wěn)定性模型驗證試驗和著水載荷測試試驗）等方法進行本條款適航符合性驗證。

2.3 §25.801（c）

條款要求：必須通過模型試驗，或與已知其水上迫降特性的構形相似的飛機進行比較，來檢查飛機在水上降落時極可能的運動和狀態(tài)。各種進氣口、襟翼、突出部分以及任何其它很可能影響飛機流體力學特性的因素，都必須予以考慮。

本款要求檢查飛機水上迫降的動態(tài)，并要求考慮能影響飛機流體力學特性的各種因素。通過模型試驗，分析各種因素對飛機流體動力特性的影響，

條款驗證方法：可以通過分析計算（飛機水線分析）和試驗驗證（飛機漂浮、滲漏特性模型驗證試驗）等方法進行本條款的適航符合性驗證。

2.4 §25.801（d）

條款要求：必須表明在合理可能的水上條件下，飛機的漂浮時間和配平能使所有乘員離開飛機并乘上符合§25.1415條所要求的救生船。如果用浮力和配平計算來表明符合此規(guī)定，則必須適當考慮可能的結構損傷和滲漏。如果飛機具有可應急放油的燃油箱，而且有理由預期該油箱能經(jīng)受水上迫降而不滲漏，則能應急放出的燃油體積可作為產(chǎn)生浮力的體積。

本款要求對飛機水上迫降漂浮特性進行計算，其目的是得到飛機能漂浮多少時間和下沉過程中飛機的姿態(tài)。飛機水上迫降漂浮時間應大于乘員撤離時間，以確保乘員能安全撤離飛機并乘上救生船。

條款驗證方法：可以通過分析計算（應急撤離時間分析、漂浮特性分析）和試驗驗證（飛機漂浮、滲漏特性模型驗證試驗）等方法進行本條款適航符合性驗證。

2.5 §25.801（e）

條款要求：除非對飛機在水上降落時極可能有的運動和狀態(tài)（如本條（c）和（d）所述）的研究中，考慮了外部艙門和窗戶毀壞的影響，否則外部艙門和窗戶必須設計成能承受最大局部壓力。

本款要求分析水上迫降飛機的外部艙門和窗口在受到水壓力后是否破壞及其影響。飛機水上迫降時，由于不穩(wěn)定運動，導致外部艙門（包括口蓋、天線開口等）部位在著水或滑水過程中承受相當大的局部水壓力導致結構損壞，因此要對最嚴重海況下的最大局部壓力情況進行強度分析。

條款驗證方法：可以通過分析計算（強度分析）方法進行本條款適航符合性驗證。

3 水上迫降適航符合性驗證方法

綜上所述，分析研究CCAR–25部中水上迫降相關適航性要求的符合性方法（見表2）。

表2 水上迫降主要條款符合性驗證方法

4 水上迫降適航符合性驗證思路

4.1 符合性驗證要求

水上迫降要考慮計劃的和非計劃的情況，即使不申請非計劃情況也要考慮非計劃的水上迫降情況。

計劃的水上迫降：要求在設計重量和重心限制的整個裝載范圍內(nèi)，飛機均能很好地實施水上迫降。此時需要配備應急設備（§25.1411、§25.1415），并適當考慮：在撞擊中喪失后緣襟翼等；增壓區(qū)機身結構和外部艙門能承受可能的最大局部水壓力；在撞擊中喪失吊艙。

非計劃的水上迫降：要滿足飛機有最大起飛重量的近海水上迫降要求。迫降時飛機不受到損傷。在不考慮救生筏情況下，飛機要有足夠的漂浮時間使乘員進入水中。

4.2 符合性驗證技術途徑

水上迫降適航符合性一般采用分析與試驗的方法。用模型試驗證明其可能運動和狀態(tài)、過載與載荷、漂浮時間以及應急撤離的符合性。設計模型要考慮動力相似性，考慮不同的飛行迎角、襟翼下偏角、試驗的不同接水速度、不同的波浪（平靜、順浪、逆浪、斜浪）情況。

要使飛機在整個水上迫降過程中能保證機體結構的完整性和有足夠的漂浮時間使乘員得到保護/存活和逃離，應開展如下分析研究工作：

研究和確定飛機水上迫降時可能的運動狀態(tài)，分析和確定載荷情況；

確定飛機的過載和受力，制定水上迫降程序；

通過研究飛機構型，設計控制水線；

進行應急撤離時間計算分析；

通過模型試驗與分析進行適航符合性驗證。

4.2.1 水上迫降的運動姿態(tài)

分析研究接水飛行姿態(tài)對最大動態(tài)沖擊載荷和飛機接水面動壓分布的影響規(guī)律，尋找最佳接水飛行姿態(tài)，以保證飛機的操穩(wěn)特性，減小接水過程中的沖擊載荷，降低強度設計要求。模型設計要考慮升降舵、襟/縫翼不同偏角，試驗中還要考慮波浪的類型。

4.2.2 水上迫降的總體布置與應急撤離時間

根據(jù)§25.807、§25.1415進行應急出口和應急設備的布置，分析人員撤離時間。乘員撤離一般從以下幾方面考慮：將救生筏從存放處取出并運到合適的出口、將固定繩系到飛機上、將救生筏從出口投放出去、救生筏充氣、乘員登船、切斷固定繩。這些動作所需時間與飛機的內(nèi)部布置、水上迫降設備的性能和位置、乘員數(shù)目及撤離路線等因素有關。

4.2.3 水上迫降的漂浮特性

根據(jù)“飛機總重和水平重心對吃水深度的浮力曲線”可以確定飛機的姿態(tài)和吃水深度。結合機上各出口門檻的位置，可以判斷各種情況下前后極限狀態(tài)時各門檻距水線的距離。水的滲漏會導致漂浮姿態(tài)和吃水深度的不斷變化，從漂浮綜合曲線上可以求出漂浮姿態(tài)角和參考水線，即可由滲漏源的位置求出對應的壓力及該滲漏源的滲漏水量。

通過模型試驗驗證飛機漂浮、滲漏特性。設計模型時要考慮機身底部不同的艙段以及破損和滲漏情況。

4.2.4 水載荷計算方法研究

建立飛機有限元計算模型，確定邊界條件，計算不同情況的重量、重心、不同下沉速度、不同水平速度。并計算以不同姿態(tài)角入水時，在靜止水面以及不同波浪的水中，飛機機身及機翼下表面承受的載荷分布。通過水載荷測量模型的試驗，按照飛機運動姿態(tài)模型試驗所確定的可接受的運動姿態(tài)，進行載荷測試模型試驗，試驗時考慮波浪的類型。

4.2.5 水上迫降結構設計與強度分析

在保證飛機結構正常使用的前提下，關注水上迫降的特殊結構設計要求，如艙門的開啟方式與不同的密封形式、承受瞬間局部水載荷的機身后下部或者機翼的局部（如放下的襟翼）的結構設計，對可能發(fā)生破損區(qū)域的結構局部進行設計與分析，以延長漂浮時間。

飛機水上迫降強度分析從兩方面考慮：一是飛機的總體強度，即分析飛機在著水時是否會發(fā)生解體等災難性破壞；二是飛機的局部強度，即飛機在不發(fā)生總體破壞的前提下局部危險部位是否發(fā)生破損。如果破損，則需給出破損的方式與破損的程度，為飛機的漂浮特性分析提供滲漏源。

4.3 符合性驗證程序

結合以往事故分析研究，結構破損安全是水上迫降成功的關鍵。通過模擬飛機水上迫降結構真實破損情況，采用模型縮比方法，按傅氏數(shù)相等原則進行縮比，取模型比例為λ（模型比例按水池大小而定，盡可能取大），確定模型的下降速度、慣量矩等的比例關系見表3。

水上迫降動態(tài)模型適航符合性驗證過程中應注意的事項。

試驗模型各參數(shù)按表3中比例關系確定，質(zhì)量應比實際的飛機盡可能低。

模型試驗要考慮影響飛機流體動力特性的各種因素。

表3 比例關系（λ—模型比例）

對機身底部區(qū)域或底部的某幾段、機翼/襟翼接頭以及發(fā)房吊掛等部位的等比例強度模擬結構段，進行研究分析。

試驗時需進行靜水和動水兩種狀態(tài)驗證。試驗時應當模擬各種可能的情況（4級海浪以下），考慮有二次沖擊的危險。

進行“計劃的水上迫降”試驗時，飛機總重為最大滑行重量減去用于滑行/起飛/爬升30min消耗的燃油量。在進行“無計劃水上迫降”試驗時，用起飛/著陸失敗的最大的毛重（采用臨界的重量和重心狀態(tài)）。

對計劃的水上迫降情況，必須考慮以下結構損壞情況：

在撞擊時喪失后緣襟翼；

增壓區(qū)機身結構和外部艙門能承受可能的最大局部水壓力；

在撞擊時喪失吊艙。

無計劃的水上迫降情況為最大起飛重量時近海水上迫降，應充分考慮如下情況：

在典型的起飛或降落狀態(tài)下，飛機無準備時間的偶然事件；

在適航符合性驗證試驗過程中，臨界的重量和重心狀態(tài)；

考慮起飛/著陸失敗時的最大毛重。

5 結束語

用結構動態(tài)模型試驗研究飛機水上迫降，可以檢查飛機水上降落時極可能的運動狀態(tài)，了解模型在著水時結構破損后的運動狀態(tài)和漂浮特性，以及等比例強度模擬結構段的破損大小與著水時的姿態(tài)、構型等關系，從而可以建立確立飛機的最佳水上迫降程序。用此程序水上迫降時機身底部的損壞會最小，從而延長飛機的漂浮時間。所有這些為民用飛機水上迫降適航性設計和驗證提供參考依據(jù)。