趙磊

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

水上飛機是指可以在水面起飛、降落、停泊的飛機，而這其中又包括了既能水面起降又可以陸上起降的水陸兩棲飛機，如某型船身式水陸兩棲飛機，本文所述的水陸兩棲飛機與陸基飛機有很大的不同。

1 水上飛機的設計特點

近年來，隨著中國快速應急救援體系的建設和發(fā)展，海上交通、遠洋捕撈等海洋活動的日趨活躍，水上飛機的需求已經(jīng)成為中國航空領域的研究熱點。某船身式水上飛機具有水陸兩棲、速度快、航程遠、機動性好等優(yōu)勢，在功能方面有可達性強、搜索范圍廣、效率高、裝載量大等技術優(yōu)點。提高該類型水上試飛技術是對該類型水上飛機的一種有力支持。

該型飛機為單船身式大長寬比的細長機身外形，舭線以上為常規(guī)飛機外形，上單翼、高平尾飛機，裝配4 臺發(fā)動機。舭線以下為船體外形，單斷階V 形船體。機身前半段中部設置抑波槽抑制水面噴濺機體。為了滿足水陸兩棲功能，在去掉浮筒設計思路的情況下，設計3 點式起落架，主起落架設置在機身后部，前起落架收起后隱藏在船體內(nèi)部。圖1 為典型的船身式水陸兩棲飛機三視圖。

圖1 船身式水陸兩棲飛機三視圖

據(jù)統(tǒng)計，水上飛機飛行各階段中，水面滑行、水上起飛、著水階段事故在整個水上飛機飛行過程中占80%，所以水面運行的安全性需重點關注。根據(jù)該型水上飛機的主要作業(yè)任務和運行特點，該船身式水陸兩棲飛機主要任務區(qū)為滅火任務型和海洋救援型，其中滅火任務型水面汲水任務和海洋救援型海面降落，都需要水面降落，因此對降落技術提出了高要求，研究水上飛機著水技術和相關著水風險是確定該型飛機安全性的必備要求。

2 縱搖的產(chǎn)生和風險分析

縱搖是水上飛機一種有節(jié)奏的俯仰運動，不正確的滑水姿態(tài)會引起這種循環(huán)周期的振動，這種振動會穩(wěn)定增加振幅，直到退出這種錯誤的姿態(tài)重新建立新的正確的俯仰姿態(tài)。圖2 為一種縱搖后姿態(tài)沒有修正，導致縱搖振幅增加的情況。

圖2 無修正縱搖后飛機的振蕩

縱搖一般會在2 種情況下發(fā)生：一種是水面滑行時機頭過低，小波峰或機頭產(chǎn)生的水壓會在機頭積累，隨之會產(chǎn)生一個較大的波峰，當波峰足夠大，飛機會騎在這個波峰上，使機頭上仰，該波峰也會隨之向機身后推移。隨著波峰向后推移經(jīng)過斷階位置，飛機會產(chǎn)生一個突然前傾低頭的動作，如果不及時控制住飛機前傾低頭，飛機頭部會入水從而在機頭位置產(chǎn)生一個新的波峰，造成飛機的振蕩，如果不及時控制，這種振蕩加劇，飛機機頭可能入水，造成飛機損壞或傾翻。第二種縱搖是在波峰經(jīng)過斷階位置時姿態(tài)過高導致的。飛機尾部壓力過大從而使飛機整體低頭力矩過大而沒有及時控制，飛機也會發(fā)生這種縱搖振蕩，也有可能比小姿態(tài)滑行更早產(chǎn)生縱搖，從而以一個較大的迎角離開水面，導致飛機有可能產(chǎn)生失速再次掉入水中。而該型飛機還有一種情況會導致縱搖，該型飛機具有投、汲水功能，在水面滑行汲水時，汲水斗會放出進行汲水，由于汲水斗處于船身下部、水面以下，所以會產(chǎn)生一個較大的阻力，這種低頭較大的俯仰力矩會使滑水姿態(tài)發(fā)生變化，如果飛行員沒有及時調(diào)整飛機姿態(tài)，則飛機機頭下偏就可能產(chǎn)生縱搖。

需要注意的是，縱搖的發(fā)生會對飛機機體產(chǎn)生極大的危害，特別是在涌浪情況下的飛機縱搖。在發(fā)生縱搖后，一定要及時減緩縱搖的幅度直至縱搖消失。而且對于任何造成縱搖的原因，如果這種運動讓機組感覺不舒服，一定要及時制止。

3 縱搖的改出

縱搖的產(chǎn)生原因是水上飛機在水面滑行時機頭過高和過低，所以對于縱搖的改出，一種是通過操縱改變飛機的俯仰姿態(tài)退出縱搖區(qū)間，另一種就是降低飛機能量，使其縱搖的能量降低，從而不產(chǎn)生更大的振蕩振幅。在水上飛機產(chǎn)生縱搖后的操縱過程中，必須施加和維持反壓，穩(wěn)定飛機姿態(tài)，制止縱搖，每個飛行員必須了解該類型飛機在水面滑行時正確的俯仰姿態(tài)和飛機質(zhì)量、構型、重心位置變化后飛機縱搖區(qū)間的變化，并了解這些變化對飛機特性產(chǎn)生的影響，如前重心會增加飛機縱搖的可能性。

圖3 為該型機一次水上縱搖的產(chǎn)生改出數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，飛機在接水前姿態(tài)已經(jīng)很大，在接水后，由于接水面處于斷階后位置，飛機有一個強烈的低頭力矩，從而造成飛機產(chǎn)生了縱搖的周期振蕩，最大時飛機的過載達1.6g，如果不及時處置，飛機這種縱搖的趨勢還會持續(xù)。

圖3 水上飛機的縱搖及改出

從圖中還可以看出，在發(fā)生縱搖后，飛行員改變俯仰姿態(tài)的同時收油門，一方面，讓飛機姿態(tài)回歸到合理的姿態(tài)區(qū)間遠離縱搖區(qū)；另一方面，飛行員及時收光油門，減小飛機的振蕩能量，從而讓飛機在縱搖狀態(tài)下很快穩(wěn)定。從這次改出縱搖可以看出，改出縱搖的方法就是帶桿保持姿態(tài)在合理的區(qū)間和及時收油門減小功率，這2 個操縱方法可以在飛機觸水后出現(xiàn)縱搖時很快穩(wěn)定下來?？梢娍v搖的關鍵點是能量的消散，盡快地消散縱搖的能量，防止其持續(xù)的能量發(fā)展，是改出縱搖的關鍵。

飛行員必須學習并練習起飛、滑行和著陸過程中的每一種縱搖，直到能在各種姿態(tài)下得到合適的俯仰角。而設計飛機時，應給定大于或小于這些俯仰姿態(tài)的限制。由于飛機質(zhì)量、構型、重心的改變也會相應地改變飛機的縱搖姿態(tài)限制。質(zhì)量的增加，改變了飛機的吃水深度，俯仰姿態(tài)限制會發(fā)生改變；構型改變時，飛機的俯仰姿態(tài)也會改變，其縱搖姿態(tài)限制隨之也發(fā)生改變，低速時，限制變小，高速時，限制隨之變大；重心發(fā)生變化時，相對來說，后重心會增加縱搖俯仰角的上限，尤其在著陸階段。飛行員需要掌握每一種狀況下飛機本體變化所帶來的縱搖限制的變化，并在不同的變化情況下進行訓練，從而熟練地掌握縱搖特性。

4 縱搖的試飛策略和方法

關于水上飛機試飛縱搖的操縱特性，在CCAR-25部里相關規(guī)章有明確的說明，如在CCAR-25.231（b）中，有“必須確定保證安全滑行、起飛和著水的最不利的水面條件”的說明，在CCAR-25-239 中，有“應在最不利的質(zhì)量和重心組合情況下研究這些特性”“不應有過分的海豚運動趨勢，為控制海豚運動，不應要求特殊的技巧和機敏動作”的說明。

實際試飛中，確定縱搖邊界是十分重要的試飛科目，風險很高，合理試飛方案的確定，能有效地規(guī)避風險。隨著該型水上飛機試飛進程的展開，研發(fā)階段的縱搖邊界試飛勢在必行。審定時，只要演示起飛著陸階段沒有明顯的縱搖發(fā)生即可，所以摸清該型飛機的試飛縱搖邊界，對于掌握該型飛機縱搖特點及控制風險至關重要。根據(jù)對水上飛機水面滑行縱向穩(wěn)定性的分析，縱搖特性的試飛，主要就是確定水上飛機縱搖的上邊界和下邊界的試飛，如圖4 所示。在制定試飛方法時，應根據(jù)上下邊界不同情況制定不同的試飛標準。

圖4 縱搖的上邊界和下邊界

4.1 縱搖上邊界試飛

縱搖的上邊界試飛可以采用等速法和加速法進行，步驟如下：①試飛前飛行員確認飛機操縱狀態(tài)及水舵極限位置，保證飛機狀態(tài)良好。②在指定區(qū)域，確認飛機試驗路線，保證水上滑行操縱正常。③正常執(zhí)行標準起飛程序，將油門前推至起飛位置，向后帶桿至后止動位，操縱飛機按既定滑行方向滑行。④飛機滑行速度到達阻力峰位置后，操縱飛機控制飛機俯仰狀態(tài)至斷階滑行位置，同時橫向操縱飛機保持機翼水平，過程中控制飛機兩邊浮筒不觸水；斷階滑行方向始終保持與機頭方向一致，過程中不可出現(xiàn)明顯的側滑現(xiàn)象。⑤當滑行速度到達預定速度時，帶桿操縱飛機姿態(tài)至預定值，同時收油門至合適位置，保持飛機速度不變或緩慢增速滑行。⑥等待飛機出現(xiàn)明顯縱搖時，立即收油門至慢車位，帶桿至后止動位，直至飛機地速減小至合適區(qū)間。⑦如果飛機離開水面且距水面高度并不高，可收油門至慢車位，但不能盲目帶桿至最大位；此時如按上述操縱方法，飛機在觸水時極有可能發(fā)生縱搖，這時需先操縱飛機至穩(wěn)定姿態(tài)區(qū)間，待飛機明確觸水后，再帶桿至操縱后止動位，直至飛機速度減小至合適區(qū)間。⑧如在此試驗期間，飛機意外起飛，且距水面距離較高，則不能盲目收油門，容易造成著水時候重著水，造成飛機跳躍；此時，機組應嚴密配合，視情況收油門控制下沉率、飛機姿態(tài)和速度，穩(wěn)定著水。⑨以不同的速度和姿態(tài)重復以上試驗步驟直至確定縱搖上邊界。

4.2 縱搖下邊界試飛

縱搖下邊界試飛步驟如下：①試飛前飛行員確認飛機操縱狀態(tài)、水舵極限位置，保證飛機狀態(tài)良好。②在指定區(qū)域，確認飛機試驗路線，保證水上滑行操縱正常。③正常執(zhí)行標準起飛程序，將油門前推至起飛位置，向后帶桿至后止動位，操縱飛機按既定滑行方向滑行。④飛機滑行速度到達阻力峰位置后，操縱飛機控制飛機俯仰狀態(tài)至斷階滑行位置，同時橫向操縱飛機保持機翼水平，過程中控制飛機兩邊浮筒不觸水；斷階滑行方向始終保持與機頭方向一致，過程中不可出現(xiàn)明顯的側滑現(xiàn)象。⑤當滑行速度達到預定速度時，推桿操縱飛機姿態(tài)至預定值，同時收油門至合適位置，保持飛機緩慢減速滑行。⑥等待飛機出現(xiàn)明顯縱搖時，立即收油門至慢車位，控制飛機姿態(tài)在合理區(qū)間，直至飛機地速減小至合適區(qū)間。⑦如果在過程中飛機離開水面且距水面高度并不高，可收油門至慢車位，但不能盲目帶桿至最大位；此時如按上述操縱方法，飛機在觸水時極有可能發(fā)生縱搖，這時需先操縱飛機至穩(wěn)定姿態(tài)區(qū)間，待飛機明確觸水后，再帶桿至操縱后止動位，直至飛機速度減小至合理區(qū)間。⑧如在此試驗期間，飛機意外起飛，且距水面距離較高，則不能盲目收油門，容易造成著水時候重著水，造成飛機跳躍；此時，機組應嚴密配合，視情況收油門控制下沉率、飛機姿態(tài)和速度，穩(wěn)定著水。⑨以不同的速度和姿態(tài)重復以上試驗步驟直至確定縱搖下邊界[1]。

縱搖邊界試飛的目的是確定縱搖上邊界和下邊界，縱搖上邊界和下邊界應根據(jù)地速給出俯仰姿態(tài)的安全范圍。所以對試飛數(shù)據(jù)進行分析時應首先判斷縱搖出現(xiàn)的標準，然后根據(jù)測試傳感器得到出現(xiàn)縱搖的地速，最終繪制縱搖邊界曲線。

需要強調(diào)的是，可控的縱搖和不可控的縱搖之間的明確界限很難界定，飛機在靜水環(huán)境下滑行，縱搖幅值小于2°時為穩(wěn)定，縱搖幅值大于2°為不穩(wěn)定，縱搖幅值等于2°時為中立穩(wěn)定。另外，由于水上飛機受浪高影響比較嚴重，所以縱搖試飛都應該在浪高小于0.2 m 的條件下進行。風速、個人操縱的影響也對縱搖后期數(shù)據(jù)的精確性有很大影響，不能一概而論，俯仰姿態(tài)的振蕩是由操縱引起還是一種自然振蕩要明確。

5 結論

水上飛機的縱搖穩(wěn)定性是水上飛機起降階段重要的評價指標，其穩(wěn)定性的優(yōu)劣對飛行員的操縱有著極其顯著的影響，是飛機縱向穩(wěn)定性優(yōu)劣的標準之一，因此一架設計制造良好的水上飛機應該具有良好的縱搖穩(wěn)定特性。目前中國即將進行該型水陸兩棲飛機的適航取證試飛，縱搖穩(wěn)定性試飛也即將拉開，本文即是該科目穩(wěn)定試飛的一個思考。