直升機水上迫降適航驗證研究

王昆侖 王開通

摘要：在某型直升機適航取證的過程中，需要進行直升機水上迫降適航驗證。直升機水上迫降是《中國民用航空規(guī)章》第29部的重要條款，通過對某型直升機水上迫降適航驗證過程研究，采用在直升機三維模型中建立吃水線，并分析不同重量情況下的吃水線變化情況，從而解釋直升機著水后的穩(wěn)定性，隨后利用公式計算得出水上漂浮時間，為今后直升機水上迫降適航驗證提供了解決思路，對于直升機水上迫降適航驗證具有一定意義。

關鍵詞：水上迫降；適航驗證；漂浮時間計算；適航條款；旋翼航空器；直升機

中圖分類號：V271文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.11.011

在進行民用直升機水上迫降適航審查時，漂浮和配平是重要的審查內容，它要求在臨界重量和重心組合的情況下，應有足夠的漂浮時間保證人員的安全撤離，而不發(fā)生傾覆[1]。

國外對于直升機水上迫降的適航驗證有完整的理論分析和試驗驗證，國內由于主要國產民用機型均為國外引進，故其適航驗證采用類比居多，理論計算和試驗驗證較少[2-5]。

本文首先介紹了某型直升機漂浮系統(tǒng)組成及水上迫降設計說明，隨后對相關適航條款進行了分析，通過水上漂浮計算分析，得出了水上漂浮計算方法，對民用直升機水上迫降適航驗證具有一定參考價值[6]。

1概述

1.1應急漂浮裝置組成

某型直升機采用的應急漂浮裝置用來使直升機在水上應急降落時提供足夠的浮力，使乘員得以全部撤離。該裝置包括：由密封油箱艙和尾梁提供的永久浮筒艙；在直升機兩側對稱布置由駕駛員操縱的4個充氣浮筒（前浮筒由兩個圓筒形浮筒組成，每個浮筒有三個獨立的隔艙，收藏在容器內并固定在前機身1/4處，并用蒙布保護；后浮筒由兩個球形浮筒組成，折疊起來放在起落架后面機身上的容器中）。兩個充氦氣的“KEVLAR”纖維氣瓶，固定在后浮筒的容器上，左、右各有一個氣瓶，同時為直升機同一側的兩個浮筒供氣。每個氣瓶裝有一個電激發(fā)的、由兩個獨立供電電路控制的兩個易熔圓盤爆炸帽。易熔圓盤的熔化信號，足以控制爆炸帽的工作。兩個壓力表連接到氣瓶上（每個氣瓶一個），分別在左右起落架艙可以看到該壓力表。

兩個氣瓶共用一個操縱盒。可以按壓控制盒上的按鈕或按壓總距桿上的按鈕給應急浮筒充氣；爆管點火后，在海平面，國際標準大氣狀態(tài)下，充氣時間最多為3～4s。應急漂浮裝置示意圖如圖1所示。

1.2某型直升機水上迫降設計說明

直升機在入水前完好無損，而且除發(fā)動機外，所有的操縱裝置和主要系統(tǒng)功能正常。此時，直升機在水上的應急降落才被視為水上迫降。因此，在水上迫降情況下，直升機的姿態(tài)是可以控制的，可以保證在觸水時，直升機保持水平姿態(tài)。

在水上迫降情況下，直升機失去動力，這時尾槳的槳距近似為零，其在水中所產生的推力可忽略不計。因此，尾槳著水不會對直升機的水上迫降漂浮狀態(tài)產生影響。

某型直升機水上迫降正常程序增加如下內容（按《飛行手冊》“正常程序”）：穿上救生衣；起飛前，駕駛員和操縱員應穿上救生衣。

某型直升機水上迫降程序如下（按《飛行手冊》“應急程序”）：確保應急浮筒電氣控制開關扳到“接通”（ARM）位置上，并采用如下程序：（1）收起落架；（2）當速度約為130km/h、高度約為60m時，按浮筒充氣按鈕使浮筒充氣；（3）如果風小，直升機應平行于波浪飛行，強風時，直升機應在風向和波浪之間飛行，且使機頭位于逆風方向；（4）應該以盡量低的速度在水上降落；（5）在觸水時，保持直升機處于水平姿態(tài)；不要減小總槳距；（6）把燃油流量操縱把手向后放到極限位置；（7）使用旋翼剎車；（8）斷開“應急切斷開關”；（9）解開安全帶；（10）拋艙門；（11）將救生筏拋出艙外，收緊掛繩直到使救生筏膨脹自動充完氣為止；（12）登上救生筏；（13）使救生衣充氣。

需要注意的是，只有從直升機撤離后才能給救生衣充氣；只有在直升機外才能使救生筏充氣；在浮筒已充氣的情況下，只有在水上降落之后，才能拋放艙門。

以上水上迫降程序保證了直升機在水面上的平穩(wěn)降落，又給出了乘員安全撤離的方法。

2適航條款符合性分析

2.1 CCAR-29.801條（a）條符合性分析

本條款采用MOC2（分析/計算）方法進行適航符合性驗證，具體內容如下[7]。

某型直升機駕駛艙門和中艙門尺寸分別為寬0.9m，高1.16m，滑動艙門玻璃寬0.9m，高0.58m，機上的6名成員（包括兩名機組成員，4名旅客）。兩名機組成員需要滿足“第29.805條飛行機組應急出口”的要求，某型直升機左右駕駛員艙門為IV型出口且在水線以上，符合第29.805條對機身兩側IV型出口的要求。4名旅客需要滿足“第29.807條旅客應急出口”的要求，某型直升機左右中艙門及左右滑動艙門玻璃為IV型出口且在吃水線以上（吃水線變化計算方法見本文第4章），符合第29.807條對機身兩側IV型出口的要求。

針對CCAR-29.1411條的要求，相關分析如下。（1）可達性。應急使用的救生筏安裝在直升機座艙內地板上，靠近應急艙門，可以很容易接近，并拋放打開使用。（2）存放設施。救生筏安裝存放的位置可以直接取用，其位置明顯易見；救生筏筏體安裝在專用的存放包內，既便于安裝存放，也可避免無意中的損壞。（3）救生筏存放的兩側都布置有可應急拋放的艙門，在水上迫降時至少通過其中一個艙門將救生筏投放出艙外。座艙上部左右兩側安裝有掛鉤座，在救生筏上備有一根帶掛鉤的系留繩，救生筏艙安裝到直升機上后系留繩就連接到掛鉤座上，這樣可以避免救生筏拋出后被水流沖走。（4）遠距離信號發(fā)生裝置，應急定位發(fā)射機就安裝在救生筏上，所以靠近供水上迫降時使用的出口處。（5）救生防護用品。供駕駛員和操作員使用的救生防護用品裝在救生包里，該救生包安裝在救生筏存放包中，可以很容易地取用。

針對CCAR-29.1415條的要求，相關分析如下：某型機所安裝的救生筏及救生筏上配備的應急定位發(fā)射器滿足本條要求；救生筏214606-0經歐洲航空安全局（EASA）批準，見EASA對救生筏的批準文件。

某型直升機備有兩只救生筏，該救生筏的額定容量為10人，在超載的情況下其最大可容納15人。每只救生筏上均帶有一根固定繩，固定繩能將救生筏系留在直升機附近。在直升機完全沉入水中時，該繩可以被剪斷。每只救生筏上均備有營救設備。每只救生筏上均備有滿足經美國聯(lián)邦航空局（FAA）批準的、符合TSO C91a技術標準規(guī)定的應急定位發(fā)射機。

2.2 CCAR-29.801條（b）符合性分析

本條款采用MOC1（說明性文件）方法進行適航符合性驗證，具體內容如下：水上漂浮裝置包括位于直升機兩側左、右兩個對稱的圓柱形前浮筒裝置、兩個對稱的后球形浮筒，以及由尾梁和燃油箱艙組成的永久性固定的水密結構艙，保證了直升機在應急情況下可以在水上漂浮。

水上迫降的應急操作程序使直升機在應急情況下盡可能地平穩(wěn)降落在水面上，使直升機保持正常漂浮狀態(tài)。

以上措施降低了使乘員在水上應急迫降時立即受傷和不能撤離的概率。

2.3 CCAR-29.801條（c）符合性分析

本條款采用MOC2方法進行適航符合性驗證，具體內容如下。

某型直升機的外形和法國SA365N3型直升機相似，重量（4250kg）也比法國SA365N3型直升機重量輕，其油箱通氣孔、發(fā)動機進氣口等口蓋均在吃水線以上（吃水線變化計算方法見第4節(jié)），故參考法國SA365N3型直升機可知某型機滿足其對于漂浮性能的要求。

某型直升機的水上迫降特性構型與法國SA365N3型直升機相似，已經驗證了在水中降落時可能的運動和狀態(tài)下，有足夠的漂浮性能。

2.4 CCAR-29.801條（d）符合性分析

本條款采用MOC2方法進行適航符合性驗證，具體內容如下。

直升機前部兩側可充氣浮筒和后浮筒及密閉浮筒艙組成一個三角形漂浮筏，直升機重心位于此漂浮筏對稱中心線上方一定高度。當直升機受到俯仰方向的擾動時，直升機前部兩個可充氣的浮筒和后浮筒提供浮力，從而產生俯仰恢復力矩；當直升機受到滾轉方向的擾動時，直升機前機身兩側的可充氣浮筒及后浮筒提供浮力，從而產生滾轉恢復力矩。因此，直升機在此矩形漂浮筏上的俯仰和滾轉方向的平衡是穩(wěn)定的。

通過分析，直升機在俯仰和滾轉方向的平衡是穩(wěn)定的。在應急浮筒一個氣艙破裂時，直升機只需滾轉傾斜4°就可以獲得平衡浮力的不對稱（具體分析過程詳見第5節(jié)）。

考慮可能的結構損傷和滲漏，某型直升機水上漂浮時間不低于5min（計算過程及結果見第3節(jié)）。根據1.2節(jié)中的說明，可以保證機上成員有足夠的時間離開直升機，并乘上符合29.1415條要求的救生筏。

2.5 CCAR-29.801條（e）符合性分析

某型直升機的外部艙門和窗戶結構與法國海豚直升機相同，均能夠承受可能的最大局部壓力，不影響水上迫降時的使用，滿足使用要求。

3水上漂浮計算分析過程

3.1水上迫降情況說明

按美國聯(lián)邦航空局咨詢通告（AC），直升機在水上迫降時，通常兩臺發(fā)動機都已失去提供動力的能力，依靠直升機旋翼自轉下滑能力迫降，迫降到水面上后，按飛行手冊進行操作，人員迅速撤離。由CCAR-29.563（a）可知，迫降時旋翼升力不超過最大設計重量的2/3；水上迫降時，直升機具有0～15.4m/s（30kn）的前飛速度，最大15°的偏航姿態(tài)。

3.2吃水線計算方法

3.2.1建立吃水線參考面

在建模過程中，以Y0為參考建立一條吃水線參考線，以Z平面為參考將參考線建立成面，并與直升機相交，如圖2所示。

3.2.2吃水線計算

吃水線參考面建立后，可以通過CATIA自帶的功能求得直升機在吃水線下的體積，從而可以得出此時直升機的浮力及浮心。通過調整Z平面數值以及Y0軸與Z平面的角度，使直升機的浮心與重心在一條直線上。當浮心有向前偏離的趨勢時，需增加Y0軸與Z平面的角度，當浮心有向后偏離的趨勢時，需減小Y0軸與Z平面的角度，當浮心與重心在一條直線上后，此時測量浮力，如不等于重力，則需調整Z平面數值，然后重新將浮心與重心調整到一條直線上，直至浮力等于重力，則此時直升機在水面穩(wěn)定，得到的吃水線即為直升機水上迫降穩(wěn)定后的吃水線，具體計算過程如圖3和圖4所示。吃水線通過計算可以得到，計算結果如圖5所示。

3.3漂浮余量計算

參照法宇航“應急浮筒裝置”技術文件中的數據和計算方法，進行分析某型系列直升機的漂浮特性。計算狀態(tài)為：重量為4250kg（X=3990mm）和3250kg（X=4050mm）的后重心情況，由圖6可見，選取的計算狀態(tài)為某型系列直升機后重心的極限狀態(tài)，此狀態(tài)通過計算若滿足CCAR-29部對水上漂浮要求，則在重量重心包線范圍內某型系列直升機都滿足CCAR-29部對水上漂浮要求；同時，在建模時應考慮到，某型系列直升機在X=3205mm和X=4630mm之間的地板和貨艙地板有4°向上的傾角。

前應急浮筒形狀為圓筒形，浮筒長1800mm，對稱連接在機體兩側X=885mm和X=2000mm半框上。每個浮筒有三個獨立的隔艙；單個應急浮筒的容積為900L，一個氣艙破裂后，剩余容積為600L?？沙錃飧⊥驳娜莘e為900L×2= 1800L。后應急浮筒形狀為球形，單個應急浮筒的容積為560L，起落架等裝置的吃水容積雖然較浮筒和密封艙的容積要小，但也應該考慮進水約為50L。浮筒和密封艙容積及其吃水容積見表1。

水的密度按1000kg/m3計算，重量分別取最大起飛重量4250kg、3250kg。

氣艙不破裂時，漂浮余量為以下4種情況。4250kg、X= 3990mm情況下：漂浮余量=（5970+50）/4250-1=41.6%； 3250kg、X=4050mm情況下：漂浮余量=（5970+50）/3250-1= 85.2%。一個氣艙破裂時，漂浮余量為：4250kg、X=3990mm情況下，漂浮余量=（5970-300+50）/4250-1=34.6%；3250kg、X=4050mm情況下，漂浮余量=（5970-300+50）/3250-1=76%。

3.4漂浮時間計算

由于油箱艙和尾梁艙均為密封的，理論上是不會發(fā)生滲漏的，而為了進行漂浮時間的計算，我們假設尾梁艙底部結構存在進口面積為5cm2的縫隙，同時為了保證計算結果的精確，進行分級計算，將滲漏過程劃分為三個階段，滲漏過程是穩(wěn)定的過程。重量4250kg（X=3990mm）情況下（入水量為V=415L），總的漂浮時間：t=t1+t2+t3=349.5s；重量3250kg（X=4050mm）情況下（入水量為V=495L），總的漂浮時間：t=t1+t2+t3=416.88s。

4吃水線變化計算方法

以3.2.1節(jié)計算的吃水面為基準，建立另一平面，該平面與尾梁相交，使兩平面之間尾梁的體積保持在400L左右（見圖7）。在此情況下，按3.2.2節(jié)的方法調整直升機的重心和浮心在一條直線上，同時使直升機在水中的浮力等于重力，如果調整過程中，發(fā)現(xiàn)無法達到浮心與重心在一條直線上，可調整兩平面之間尾梁的體積，此時得到一條漏水后新的吃水線，據此可計算漏水后艙門附近吃水線的變化范圍及在水上的漂浮時間。重量4250kg、后重心3990mm時，中艙門距吃水線變化范圍為35～78mm，如圖8所示。重量3250kg、后重心4050mm時，中艙門距吃水線變化范圍為170～195mm，如圖9所示。

由于機身的永久浮筒艙是密封的，所以即使艙門進水，浮筒艙的浮力作用會一直存在，所以機體的漂浮和吃水線的變化過程是一個穩(wěn)定的過程，不會出現(xiàn)機體迅速下沉的情況。

5直升機漂浮穩(wěn)定性分析

直升機前部兩側可充氣浮筒和永久浮筒艙及后浮筒組成一個三角形漂浮筏（見圖10），直升機重心位于此漂浮筏對稱中心線上方一定高度。當直升機受到俯仰方向的擾動時，直升機前部兩個可充氣的浮筒和尾部尾梁永久性浮筒及后浮筒提供浮力，從而產生俯仰恢復力矩；當直升機受到滾轉方向的擾動時，直升機前機身兩側的可充氣浮筒及后浮筒提供浮力，從而產生滾轉恢復力矩。因此，直升機在此三角形漂浮筏內的俯仰和滾轉方向的平衡是穩(wěn)定的。

查閱相關技術資料和文獻獲得5級海情的一些技術參數：波高為3.25m；風速為14m/s；波浪周期為6.5s，以上數據的選取均為保守方式[8]。

根據AC 29.801 29.801水上迫降（修正案29-12）（b）（3）漂浮與配平，可知波高與波長比為1∶12.5，可計算出縱向傾角為4.57°。在這樣的波浪周期和傾角下，飛機的漂浮是穩(wěn)定的，不影響人員的安全撤離。

參照法宇航“應急浮筒裝置”技術文件，在應急浮筒一個氣艙破裂時，浮力減小300kg，浮力的不對稱導致直升機要滾轉一個小角度就可獲得平衡。橫向傾斜角度可按照下面的方法計算：α=tan[696*0.726（1/600-1/900）/2.4]-1=4.28°這個角度很小，不影響人員的安全撤離。

由此可以得出直升機漂浮計算結果：重量4250kg、后重心時，漂浮余量為41.6%（氣艙破裂時為34.6%）；重量3250kg、后重心時，漂浮余量為85.2%（氣艙破裂時為76%），漂浮裝置可以提供足夠的浮力，使直升機漂浮在水面上。直升機在漂浮裝置上的俯仰和滾轉方向上的平衡是穩(wěn)定的，可以保證人員安全撤離；從圖8和圖9可以看出，在直升機漂浮時間內，直升機前艙門底部在水面之上，并且其他艙門也能順利打開；根據漂浮穩(wěn)定性試驗（試驗是在水池中模擬了飛機重量和幾何特征的直升機模型），應急浮筒能在5級海況或在2級海況并有一個艙破損滲漏的情況下，根據上面的計算，參考法國原型機型號說明書可知可以保持飛機在水上漂浮5min。如果氣艙不完全破裂，隔艙也沒有滲漏情況，直升機應該永久漂浮在水面上；通過計算可知，尾梁艙在最不利位置有5cm2面積破損進水口時可保證有5min的漂浮時間[9]。

6結束語

本研究通過某型機進行水上迫降適航驗證過程，總結了一套直升機水上迫降適航條款符合性分析方法，提出了一種直升機水上漂浮時間計算方法，解決了直升機水上迫降適航驗證的問題[10]。

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Research on Airworthiness Verification of Helicopter Ditching on Water

Wang Kunlun，Wang Kaitong

AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co.，Ltd.，Harbin 150066，China

Abstract： In the process of helicopter airworthiness certification， it is necessary to verify the airworthiness of helicopter forced landing on water. Helicopter ditching on water is an important clause in Part 29 of China`s civil aviation regulations. Through the research on the airworthiness verification process of a type of helicopter ditching on water， the waterline is established in the three-dimensional model of the helicopter， and the variation of the waterline under different weights is analyzed to explain the stability of the helicopter after landing， and then the floating time on the water is calculated by the formula. It prouides reference for the airworthiness verification of helicopter ditching on water.

Key Words： ditching on water； airworthiness verification； floating time calculation； airworthiness clause； rotorcraft； helicopter