某型船身式水陸兩棲飛機(jī)縱搖試飛技術(shù)探討

趙磊

（中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

水上飛機(jī)是指可以在水面起飛、降落、停泊的飛機(jī)，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(jī)，如某型船身式水陸兩棲飛機(jī)，本文所述的水陸兩棲飛機(jī)與陸基飛機(jī)有很大的不同。

1 水上飛機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

近年來(lái)，隨著中國(guó)快速應(yīng)急救援體系的建設(shè)和發(fā)展，海上交通、遠(yuǎn)洋捕撈等海洋活動(dòng)的日趨活躍，水上飛機(jī)的需求已經(jīng)成為中國(guó)航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。某船身式水上飛機(jī)具有水陸兩棲、速度快、航程遠(yuǎn)、機(jī)動(dòng)性好等優(yōu)勢(shì)，在功能方面有可達(dá)性強(qiáng)、搜索范圍廣、效率高、裝載量大等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。提高該類型水上試飛技術(shù)是對(duì)該類型水上飛機(jī)的一種有力支持。

該型飛機(jī)為單船身式大長(zhǎng)寬比的細(xì)長(zhǎng)機(jī)身外形，舭線以上為常規(guī)飛機(jī)外形，上單翼、高平尾飛機(jī)，裝配4 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。舭線以下為船體外形，單斷階V 形船體。機(jī)身前半段中部設(shè)置抑波槽抑制水面噴濺機(jī)體。為了滿足水陸兩棲功能，在去掉浮筒設(shè)計(jì)思路的情況下，設(shè)計(jì)3 點(diǎn)式起落架，主起落架設(shè)置在機(jī)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(jī)三視圖。

圖1 船身式水陸兩棲飛機(jī)三視圖

據(jù)統(tǒng)計(jì)，水上飛機(jī)飛行各階段中，水面滑行、水上起飛、著水階段事故在整個(gè)水上飛機(jī)飛行過(guò)程中占80%，所以水面運(yùn)行的安全性需重點(diǎn)關(guān)注。根據(jù)該型水上飛機(jī)的主要作業(yè)任務(wù)和運(yùn)行特點(diǎn)，該船身式水陸兩棲飛機(jī)主要任務(wù)區(qū)為滅火任務(wù)型和海洋救援型，其中滅火任務(wù)型水面汲水任務(wù)和海洋救援型海面降落，都需要水面降落，因此對(duì)降落技術(shù)提出了高要求，研究水上飛機(jī)著水技術(shù)和相關(guān)著水風(fēng)險(xiǎn)是確定該型飛機(jī)安全性的必備要求。

2 縱搖的產(chǎn)生和風(fēng)險(xiǎn)分析

縱搖是水上飛機(jī)一種有節(jié)奏的俯仰運(yùn)動(dòng)，不正確的滑水姿態(tài)會(huì)引起這種循環(huán)周期的振動(dòng)，這種振動(dòng)會(huì)穩(wěn)定增加振幅，直到退出這種錯(cuò)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(méi)有修正，導(dǎo)致縱搖振幅增加的情況。

圖2 無(wú)修正縱搖后飛機(jī)的振蕩

縱搖一般會(huì)在2 種情況下發(fā)生：一種是水面滑行時(shí)機(jī)頭過(guò)低，小波峰或機(jī)頭產(chǎn)生的水壓會(huì)在機(jī)頭積累，隨之會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的波峰，當(dāng)波峰足夠大，飛機(jī)會(huì)騎在這個(gè)波峰上，使機(jī)頭上仰，該波峰也會(huì)隨之向機(jī)身后推移。隨著波峰向后推移經(jīng)過(guò)斷階位置，飛機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)突然前傾低頭的動(dòng)作，如果不及時(shí)控制住飛機(jī)前傾低頭，飛機(jī)頭部會(huì)入水從而在機(jī)頭位置產(chǎn)生一個(gè)新的波峰，造成飛機(jī)的振蕩，如果不及時(shí)控制，這種振蕩加劇，飛機(jī)機(jī)頭可能入水，造成飛機(jī)損壞或傾翻。第二種縱搖是在波峰經(jīng)過(guò)斷階位置時(shí)姿態(tài)過(guò)高導(dǎo)致的。飛機(jī)尾部壓力過(guò)大從而使飛機(jī)整體低頭力矩過(guò)大而沒(méi)有及時(shí)控制，飛機(jī)也會(huì)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(gè)較大的迎角離開(kāi)水面，導(dǎo)致飛機(jī)有可能產(chǎn)生失速再次掉入水中。而該型飛機(jī)還有一種情況會(huì)導(dǎo)致縱搖，該型飛機(jī)具有投、汲水功能，在水面滑行汲水時(shí)，汲水斗會(huì)放出進(jìn)行汲水，由于汲水斗處于船身下部、水面以下，所以會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的阻力，這種低頭較大的俯仰力矩會(huì)使滑水姿態(tài)發(fā)生變化，如果飛行員沒(méi)有及時(shí)調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)，則飛機(jī)機(jī)頭下偏就可能產(chǎn)生縱搖。

需要注意的是，縱搖的發(fā)生會(huì)對(duì)飛機(jī)機(jī)體產(chǎn)生極大的危害，特別是在涌浪情況下的飛機(jī)縱搖。在發(fā)生縱搖后，一定要及時(shí)減緩縱搖的幅度直至縱搖消失。而且對(duì)于任何造成縱搖的原因，如果這種運(yùn)動(dòng)讓機(jī)組感覺(jué)不舒服，一定要及時(shí)制止。

3 縱搖的改出

縱搖的產(chǎn)生原因是水上飛機(jī)在水面滑行時(shí)機(jī)頭過(guò)高和過(guò)低，所以對(duì)于縱搖的改出，一種是通過(guò)操縱改變飛機(jī)的俯仰姿態(tài)退出縱搖區(qū)間，另一種就是降低飛機(jī)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(jī)產(chǎn)生縱搖后的操縱過(guò)程中，必須施加和維持反壓，穩(wěn)定飛機(jī)姿態(tài)，制止縱搖，每個(gè)飛行員必須了解該類型飛機(jī)在水面滑行時(shí)正確的俯仰姿態(tài)和飛機(jī)質(zhì)量、構(gòu)型、重心位置變化后飛機(jī)縱搖區(qū)間的變化，并了解這些變化對(duì)飛機(jī)特性產(chǎn)生的影響，如前重心會(huì)增加飛機(jī)縱搖的可能性。

圖3 為該型機(jī)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(jī)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(jī)有一個(gè)強(qiáng)烈的低頭力矩，從而造成飛機(jī)產(chǎn)生了縱搖的周期振蕩，最大時(shí)飛機(jī)的過(guò)載達(dá)1.6g，如果不及時(shí)處置，飛機(jī)這種縱搖的趨勢(shì)還會(huì)持續(xù)。

圖3 水上飛機(jī)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(shí)收油門，一方面，讓飛機(jī)姿態(tài)回歸到合理的姿態(tài)區(qū)間遠(yuǎn)離縱搖區(qū)；另一方面，飛行員及時(shí)收光油門，減小飛機(jī)的振蕩能量，從而讓飛機(jī)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(shí)收油門減小功率，這2 個(gè)操縱方法可以在飛機(jī)觸水后出現(xiàn)縱搖時(shí)很快穩(wěn)定下來(lái)。可見(jiàn)縱搖的關(guān)鍵點(diǎn)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(guān)鍵。

飛行員必須學(xué)習(xí)并練習(xí)起飛、滑行和著陸過(guò)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(shè)計(jì)飛機(jī)時(shí)，應(yīng)給定大于或小于這些俯仰姿態(tài)的限制。由于飛機(jī)質(zhì)量、構(gòu)型、重心的改變也會(huì)相應(yīng)地改變飛機(jī)的縱搖姿態(tài)限制。質(zhì)量的增加，改變了飛機(jī)的吃水深度，俯仰姿態(tài)限制會(huì)發(fā)生改變；構(gòu)型改變時(shí)，飛機(jī)的俯仰姿態(tài)也會(huì)改變，其縱搖姿態(tài)限制隨之也發(fā)生改變，低速時(shí)，限制變小，高速時(shí)，限制隨之變大；重心發(fā)生變化時(shí)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，后重心會(huì)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(jī)本體變化所帶來(lái)的縱搖限制的變化，并在不同的變化情況下進(jìn)行訓(xùn)練，從而熟練地掌握縱搖特性。

4 縱搖的試飛策略和方法

關(guān)于水上飛機(jī)試飛縱搖的操縱特性，在CCAR-25部里相關(guān)規(guī)章有明確的說(shuō)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(shuō)明，在CCAR-25-239 中，有“應(yīng)在最不利的質(zhì)量和重心組合情況下研究這些特性”“不應(yīng)有過(guò)分的海豚運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，為控制海豚運(yùn)動(dòng)，不應(yīng)要求特殊的技巧和機(jī)敏動(dòng)作”的說(shuō)明。

實(shí)際試飛中，確定縱搖邊界是十分重要的試飛科目，風(fēng)險(xiǎn)很高，合理試飛方案的確定，能有效地規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。隨著該型水上飛機(jī)試飛進(jìn)程的展開(kāi)，研發(fā)階段的縱搖邊界試飛勢(shì)在必行。審定時(shí)，只要演示起飛著陸階段沒(méi)有明顯的縱搖發(fā)生即可，所以摸清該型飛機(jī)的試飛縱搖邊界，對(duì)于掌握該型飛機(jī)縱搖特點(diǎn)及控制風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。根據(jù)對(duì)水上飛機(jī)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(jī)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(shí)，應(yīng)根據(jù)上下邊界不同情況制定不同的試飛標(biāo)準(zhǔn)。

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(jìn)行，步驟如下：①試飛前飛行員確認(rèn)飛機(jī)操縱狀態(tài)及水舵極限位置，保證飛機(jī)狀態(tài)良好。②在指定區(qū)域，確認(rèn)飛機(jī)試驗(yàn)路線，保證水上滑行操縱正常。③正常執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)起飛程序，將油門前推至起飛位置，向后帶桿至后止動(dòng)位，操縱飛機(jī)按既定滑行方向滑行。④飛機(jī)滑行速度到達(dá)阻力峰位置后，操縱飛機(jī)控制飛機(jī)俯仰狀態(tài)至斷階滑行位置，同時(shí)橫向操縱飛機(jī)保持機(jī)翼水平，過(guò)程中控制飛機(jī)兩邊浮筒不觸水；斷階滑行方向始終保持與機(jī)頭方向一致，過(guò)程中不可出現(xiàn)明顯的側(cè)滑現(xiàn)象。⑤當(dāng)滑行速度到達(dá)預(yù)定速度時(shí)，帶桿操縱飛機(jī)姿態(tài)至預(yù)定值，同時(shí)收油門至合適位置，保持飛機(jī)速度不變或緩慢增速滑行。⑥等待飛機(jī)出現(xiàn)明顯縱搖時(shí)，立即收油門至慢車位，帶桿至后止動(dòng)位，直至飛機(jī)地速減小至合適區(qū)間。⑦如果飛機(jī)離開(kāi)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(shí)如按上述操縱方法，飛機(jī)在觸水時(shí)極有可能發(fā)生縱搖，這時(shí)需先操縱飛機(jī)至穩(wěn)定姿態(tài)區(qū)間，待飛機(jī)明確觸水后，再帶桿至操縱后止動(dòng)位，直至飛機(jī)速度減小至合適區(qū)間。⑧如在此試驗(yàn)期間，飛機(jī)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(shí)候重著水，造成飛機(jī)跳躍；此時(shí)，機(jī)組應(yīng)嚴(yán)密配合，視情況收油門控制下沉率、飛機(jī)姿態(tài)和速度，穩(wěn)定著水。⑨以不同的速度和姿態(tài)重復(fù)以上試驗(yàn)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(rèn)飛機(jī)操縱狀態(tài)、水舵極限位置，保證飛機(jī)狀態(tài)良好。②在指定區(qū)域，確認(rèn)飛機(jī)試驗(yàn)路線，保證水上滑行操縱正常。③正常執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)起飛程序，將油門前推至起飛位置，向后帶桿至后止動(dòng)位，操縱飛機(jī)按既定滑行方向滑行。④飛機(jī)滑行速度到達(dá)阻力峰位置后，操縱飛機(jī)控制飛機(jī)俯仰狀態(tài)至斷階滑行位置，同時(shí)橫向操縱飛機(jī)保持機(jī)翼水平，過(guò)程中控制飛機(jī)兩邊浮筒不觸水；斷階滑行方向始終保持與機(jī)頭方向一致，過(guò)程中不可出現(xiàn)明顯的側(cè)滑現(xiàn)象。⑤當(dāng)滑行速度達(dá)到預(yù)定速度時(shí)，推桿操縱飛機(jī)姿態(tài)至預(yù)定值，同時(shí)收油門至合適位置，保持飛機(jī)緩慢減速滑行。⑥等待飛機(jī)出現(xiàn)明顯縱搖時(shí)，立即收油門至慢車位，控制飛機(jī)姿態(tài)在合理區(qū)間，直至飛機(jī)地速減小至合適區(qū)間。⑦如果在過(guò)程中飛機(jī)離開(kāi)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(shí)如按上述操縱方法，飛機(jī)在觸水時(shí)極有可能發(fā)生縱搖，這時(shí)需先操縱飛機(jī)至穩(wěn)定姿態(tài)區(qū)間，待飛機(jī)明確觸水后，再帶桿至操縱后止動(dòng)位，直至飛機(jī)速度減小至合理區(qū)間。⑧如在此試驗(yàn)期間，飛機(jī)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(shí)候重著水，造成飛機(jī)跳躍；此時(shí)，機(jī)組應(yīng)嚴(yán)密配合，視情況收油門控制下沉率、飛機(jī)姿態(tài)和速度，穩(wěn)定著水。⑨以不同的速度和姿態(tài)重復(fù)以上試驗(yàn)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(yīng)根據(jù)地速給出俯仰姿態(tài)的安全范圍。所以對(duì)試飛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)首先判斷縱搖出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)，然后根據(jù)測(cè)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(qiáng)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(jī)在靜水環(huán)境下滑行，縱搖幅值小于2°時(shí)為穩(wěn)定，縱搖幅值大于2°為不穩(wěn)定，縱搖幅值等于2°時(shí)為中立穩(wěn)定。另外，由于水上飛機(jī)受浪高影響比較嚴(yán)重，所以縱搖試飛都應(yīng)該在浪高小于0.2 m 的條件下進(jìn)行。風(fēng)速、個(gè)人操縱的影響也對(duì)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(jié)論

水上飛機(jī)的縱搖穩(wěn)定性是水上飛機(jī)起降階段重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其穩(wěn)定性的優(yōu)劣對(duì)飛行員的操縱有著極其顯著的影響，是飛機(jī)縱向穩(wěn)定性優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)之一，因此一架設(shè)計(jì)制造良好的水上飛機(jī)應(yīng)該具有良好的縱搖穩(wěn)定特性。目前中國(guó)即將進(jìn)行該型水陸兩棲飛機(jī)的適航取證試飛，縱搖穩(wěn)定性試飛也即將拉開(kāi)，本文即是該科目穩(wěn)定試飛的一個(gè)思考。