大型水陆两栖飞机特殊任务模式对总体设计的挑战

申蒸洋，陈孝明，黄领才

中航通飞研究院有限公司，珠海 519000

2008年汶川地震发生后，军队与民航等部门迅速调集全国航空救援力量，全力开展救援行动。据不完全统计，在救援阶段共出动飞机和直升机 428 架,实施抗灾救援飞行8 277 架次，转运和空投救灾物资22 543 t，转运人员66 728 人次。尽管航空救援在地震中发挥了巨大作用，但依然暴露出中国航空救援体系非常薄弱的事实。中国航空救援体系的落后几乎是全方位的，救援装备数量太少、性能不足，救援机型与任务不匹配，基础设施不健全，航空救援体制不完善，缺乏专业救援队伍[1]。

在此背景下，某大型水陆两栖飞机应运而生。该机是为满足中国森林灭火和水上救援的迫切需求，根据国家应急救援体系建设的整体规划而研制的一种大型水陆两栖飞机。该机可在专用水上机场或满足条件的江、河、湖和水库等水域起降，也可在陆上机场起降。水陆两栖的特性使得该机极大地拓展了使用场景，在满足森林灭火和水上救援需求的同时，通过改装任务系统，可执行海洋环境监测、海上巡逻和快速补给等任务。

相较于陆基飞机，大型水陆两栖飞机的设计面临更多挑战。总体布局需要综合考虑气动性能和水动性能；由于船体的特殊性，不能像陆基飞机一样布置起落架；恶劣的工作环境对全机腐蚀防护能力提出了更高的要求；森林灭火和水上救援任务设备考验系统集成能力；特殊的任务模式也是中国型号合格审定工作中面临的全新课题。在研制大型水陆两栖飞机的工程实践中，针对这些挑战给出了独特的解决方式。同时，一些问题还有待进一步的研究。

1 需求论证与特殊任务模式

1.1 森林灭火需求

中国是森林资源大国，森林资源的健康发展对确保国家木材安全和生态安全具有十分重要的现实和战略意义。中国森林火灾多发，1950—2010年间，年均发生火灾12 683 次[2]。美国、加拿大等森林火灾多发国家由林业局负责全国的森林防火任务，组建了专业的航空灭火机队，使用水陆两栖飞机、陆基飞机和直升机开展森林灭火，取得了良好效果[3]。

中国南方/北方航空护林总站专门负责全国的森林航空消防工作，目前主要使用AT802小型飞机、MI-26和KA-32等直升机执行灭火任务。小型飞机有效载荷相对较小，直升机飞行速度较慢，且灭火飞机总体数量较少，在森林火灾中起到的作用有限。相较之下，大型水陆两栖飞机具有载荷大、可低速飞行、飞行高度低等特点，它能在水面起降、汲水迅速、投水准确，且续航时间长，可以在水源与火场之间多次往返，因此在森林灭火领域可以发挥重要作用。

1.2 森林灭火任务模式

森林灭火有两种任务模式：汲水灭火模式和注水灭火模式。飞机在接到森林灭火指令后，可在陆上机场向水箱注水或火场附近可用水源汲水后飞到火场上空，按照指挥系统的调度进行灭火作业。汲水灭火模式和注水灭火模式可以组合使用，飞机首次出动时在机场注水后起飞，投水后在可用水域滑行汲水，进行灭火作业。

汲水灭火作业如图1所示。汲水灭火模式流程如下：① 接到灭火任务；② 制定灭火方案和飞行任务计划，申报飞行空域和航线；③ 飞机起动、滑行和起飞；④ 飞机飞抵火场附近水域；⑤ 滑行汲水，起飞至火场；⑥ 火场上空盘旋观察，确定投水航线；⑦ 投水灭火，往返汲水灭火或返航。

注水灭火作业如图2所示。注水灭火模式流程如下：① 接到灭火任务；②制定灭火方案和飞行任务计划，申报飞行空域和航线；③ 飞机注水、起动、滑行和起飞；④ 飞机飞抵火场，盘旋观察；⑤ 确定投水航线，投水灭火；⑥ 往返机场注水灭火或返航。

大型水陆两栖飞机执行森林灭火任务时通常采用的战术有直接灭火和打隔离带两种方式。直接灭火即飞机直接投水扑灭火源、控制火头，而打隔离带则是喷洒出一条隔离带防止火势蔓延。执行灭火任务时飞机通常处于低空低速状态，火场上空复杂的气流环境以及不规则地形都对飞机安全性提出了更高的要求。

图1 汲水灭火作业Fig.1 Fire-extinguishing operation for drawing water

图2 注水灭火作业Fig.2 Fire-extinguishing operation for filling water

1.3 水上救援需求

中国是一个海洋大国，随着中国海洋事业的快速发展，海洋调查、海洋勘探、海洋开发、海上运输、海上生产和海洋旅游服务等生产、生活和科研活动日益频繁，海上突发事件频率逐年增高，给国家和人民财产造成巨大的损失。据中国海上搜救中心统计，1949—1984年间，中国平均每年执行海上救援26.9 次，1985—1990年间，平均每年执行海上救援60.8 次，而1991—1999年间,平均每年执行海上救援107.7 次。

然而，中国尚未建立完善的海上应急体系，相应的任务体系、指挥体系、运行体系、协同体系还未形成明确的机制。目前海上应急任务处置能力仅能满足内近海和浅海的任务需要，救援装备以直升机、舰船和极少的小型固定翼飞机为主。随着中国中远海战略以及海洋经济战略目标的实施，迫切需要具备中远海海上快速支援和搜救的能力。

中远海海上快速支援和搜救必须依赖大型水陆两栖飞机来执行目标搜索、空投物资、空降伞兵着水救援或直接着水救援等任务。大型水陆两栖飞机的应用可以为中国海上应急体系的建设提供装备保证，满足中国对南海远端的中沙群岛、南沙群岛以及公海等区域的任务需要，为发展海洋经济保驾护航。

1.4 水上救援任务模式

水上救援是指对水上遇险人员实施的各种救援活动，包括搜寻、救捞、救护和运送等环节。水上救援有两种任务模式：着水救援模式和空投救援模式。飞机在接到救援指令后，携带必要的救援设备飞往事故水域，利用机载搜索设备确定遇险人员/船只的方位，并上报现场情况。在气象和水域条件允许的条件下可进行着水救援，否则可空投救援物资如救生设备、药品、食物和水。水上救援作业如图3所示。

中远海的救援任务需要飞机快速到达事故海域，这就要求飞机具备大航程和高速性能；而执行搜索和空投任务则要求飞机具备良好的低空、低速性能。因此必须权衡好大任务半径、快速支援能力、低空低速搜索/空投能力之间的关系，获得最优的综合性能。此外，中远海环境下的救援常常面临恶劣海况，需要飞机具备较好的抗浪能力。

图3 水上救援作业Fig.3 Operation for rescue on river or sea

2 基于国内供应商的构型管理体系

2.1 国内供应商体系现状

大型水陆两栖飞机在研制过程中，采取了国际主流的“主制造商-供应商”的发展模式，98%的结构及系统零部件和95%的机载成品由国内供应商提供。由于中国民机产业发展滞后，国内供应商大部分以军机产品为主，从军机产品转向民机产品，研制理念和管理体系的转变都是巨大的挑战。国内供应商存在的主要问题包括：适航理念认知不足；军机和民机制造工艺规范体系的差异引起的问题；过去单个设备交付为主，转向系统级供应商，现有的组织和管理体系不能适应民机发展需求等。这些都是国内供应商从军机研制转向民机研制的过程中必然出现的问题。

长期以来，国内供应商产品研制的主要参考依据是军机标准和规范，对适航理念认识严重不足。以实现可靠性和使用性能为主的军机研制理念根深蒂固，转变到以满足安全性和市场需求为主的民机研制理念还需要一个过程。

由于既有的生产体系是按照军机要求建立的，因此民机规范体系和军机规范体系的交叉使用对国内供应商现场生产工作带来了考验。供应商原有的标准体系不统一，使得生产设备、生产线适应难度加大，容易造成差错[4]。

2.2 构型管理体系的建立

为确保大型水陆两栖飞机达到研制目标，建立了相应的构型管理体系，涵盖构型管理组织机构、构型管理实施方案、供应商构型管理等方面。通过构型管理工作，实现产品数据的可见性、唯一性、可控性、有效性和可追溯性；确保产品的性能、功能特性和物理特性与设计要求和使用要求的一致性；控制项目成本和进度。

针对供应商的构型管理工作，制订了供应商构型管理要求，对供应商进行构型控制。在此过程中，由于国内供应商目前的现状限制，出现了各种问题，如设计更改响应时间较长、各企业信息化不统一对数据传递带来影响等。通过与供应商协调产品定义和标识，确定双方的接口关系并管理接口控制文件，维护双方批准的构型基线文件，遵循统一的更改流程，有力地支撑着大型水陆两栖飞机研制实现预期的构型管理目标。同时，建立了供应商定期审核机制，帮助国内供应商持续改进设计保证体系。

3 气水动布局综合设计

3.1 总体布局

大型水陆两栖飞机经过多年的发展，已经形成了相对成熟的布局形式。某大型水陆两栖飞机采用单船身式机身、悬臂式上单翼、T型尾翼和前三点可收放式起落架的布局形式，如图4所示。

以舭线为分界线，舭线以上为常规飞机机身外形，舭线以下为船体外形，采用单断阶V型船体，机身采用通舱设计。为抑制喷溅，在机身前端左右两侧设置抑波槽。飞机采用前三点式起落架，主起落架布置在机身断阶后，向后收起至机身两侧的主起整流罩内。

图4 某大型水陆两栖飞机总体布局Fig.4 General configuration of a large-scale amphibious aircraft

3.2 气水动一体化设计

水陆两栖飞机在水面时的状态类似于船舶，但是和船舶又有区别，船舶的航行速度与水陆两栖飞机高速滑行的速度相比较低，无需过多考虑气动作用。在水陆两栖飞机的水面滑行阶段，其同时受气动、水动共同作用，且水面效应及水气交混状态也使其受力更为复杂。在起降阶段需特别考虑滑行的快速性、稳定性边界、适海性等因素，同时还需兼顾飞机常规设计要素，如巡航效率、载荷范围等。这些复杂问题的综合作用，给水陆两栖飞机的设计提出了挑战。把机身下部的船体部分与机身上部的常规机身部分有机结合，使得飞机在水上起飞和着水过程中具有良好的性能，是水陆两栖飞机设计的精髓，也是难点。

特殊的任务模式要求飞机兼顾低空低速性能和高速巡航性能，因此必须权衡好二者之间的关系。船体的外形设计和气动外形设计要求存在较大冲突，如果协调不好全机气水动布局设计，不仅会明显增加飞机的结构重量，同时也难以达到预期的性能指标。为了满足飞机既定的功能和性能要求，以及苛刻的重量指标要求，必须要用新思路和新方法来解决气水动布局中的矛盾。

为了满足某大型水陆两栖飞机的总体设计要求，进行了高抗浪船体设计技术攻关，采用了气水动布局综合优化设计技术。在总体布局设计、翼身组合体气水动布局的一体化设计、高升力机翼/襟翼/动力装置综合优化设计、机身/船体气动外形的综合优化设计等方面，进行了多轮次的方案迭代和优化。通过优化设计，提高了飞机的抗浪能力、喷溅性能、水面滑行稳定性和操纵性能，保证了良好的水动特性；同时，进一步降低了飞机的失速速度和最小平飞速度，使得飞机在低空低速性能和高速巡航性能之间取得了较好的平衡，最终达到了顶层设计要求。

3.3 独特的起落架布局与型式

在此之前，中国并没有大型水陆两栖飞机起落架的设计经验。20世纪70年代研制的第一代水上飞机不具备陆地起降能力，该机的起落架仅在上下水和陆地停放时起到支撑作用。因此，起落架的布局设计成为总体设计过程中的一项技术难点。

大型水陆两栖飞机需要在水面滑行起飞，为降低阻力，机身下半部分设计为V型船体形状，因此不能像常规飞机一样在机腹设置主起落架舱。水陆两栖飞机的机翼需要远离水面，一般采用上单翼，如果将起落架收于机翼中，起落架的支柱将过长，对于重量和稳定性都是不小的挑战。因此，大型水陆两栖飞机的起落架设计必须跳出常规飞机的起落架布局思维。

俄罗斯的Be-200、日本的US-2、加拿大的CL-415是水陆两栖飞机的代表机型，这3种飞机均采用前三点可收放式起落架，但在具体布局上采用了3种不同的方案：翼根整流包方案、机身整流包方案和外伸梁方案，如图5所示。Be-200采用翼根整流包方案，在机翼根部布置整流包，以此作为主起落架舱；US-2采用机身整流包方案，起落架收藏于机身外侧的整流包内；CL-415采用外伸梁方案，不设置整流包，而是将起主落架收于机身两侧的开槽内[5]。

某大型水陆两栖飞机采用前三点、可收放式起落架。由于该机采用上单翼，如果主起落架安装于机翼的下翼面，则主起支柱的高度将超过5 m，结构重量非常大。该机将主起落架布置于断阶后机身两侧，采用悬臂外伸式单支柱起落架，并在机身两侧设置整流包作为主起落架舱，当起落架收起时，主起落架收在凸出机身两侧的起落架舱内，可大大减少主起支柱的高度。

图5 大型水陆两栖飞机典型起落架布局方案Fig.5 Configuration schemes of landing gear for large-scale amphibious aircraft

主起整流罩位于翼身整流罩的下方，二者后缘的分离流混合后，对机身后部的流场造成了严重干扰，对全机气动特性产生了不利影响。通过对翼身整流罩和主起整流罩进行气动优化设计，有效抑制了对飞机的不利干扰，且全机总阻力下降了6.05%。此外，为了降低起落架对水动性能的影响，进行了单船身模型试验和全机带动力模型试验。对主起整流罩和下位锁整流罩进行水动外形优化设计后，在低速时引起最大水阻力增加约12.5%，高速时引起最大水阻力增加约 9.5%，满足了主起整流罩与下位锁整流罩外形引起水动阻力增量的设计要求。

4 任务系统集成与任务效能评估

4.1 任务系统集成

通过特别设计的救援任务系统和灭火任务系统与飞机平台集成，大型水陆两栖飞机具备了水上救援和森林灭火两大特色功能。任务系统的设计遵循低耦合的原则，尽可能降低对其他系统的依赖性，避免任务系统故障对其他系统产生影响，危害飞行安全。为提高任务系统可靠性，对主要功能设备和功能线路进行了余度设计。

救援任务系统由搜索系统和救援系统组成，救援系统又分为着水救援设备和空投救援设备，救援系统的组成如图6所示。水上救援的第1步是由搜索系统完成的，搜索系统探测和解算待救援目标的位置信息和海况信息。在海况和天气条件允许的情况下，采用飞机着水救援；如果无法着水救援，则转入空投救援模式，飞行员根据现场情况确定空投高度、速度和空投时机。

灭火任务系统的设计充分考虑了灭火任务的特殊性，结合水面滑行汲水和机场注水使用模式，采用多水箱储水、多投水舱门收放控制、汲水斗收放控制方案，并设计了注水、溢水装置，注水装置供机场注水使用，当水量超过水箱容积后通过溢水装置排出。灭火任务系统的水箱结构最大载水量12 t，通过控制汲水管道上的水箱阀门，可实现6、9和12 t的梯度载水控制。灭火任务系统设置了观察员座椅，观察员的主要职责是观察火场情况，为飞行员选择投水时机提供参考，灭火任务系统组成如图7所示。

图6 大型水陆两栖飞机救援系统组成Fig.6 Components of rescue system for large-scale amphibious aircraft

图7 大型水陆两栖飞机灭火任务系统组成Fig.7 Components of fire-extinguishing system for large-scale amphibious aircraft

4.2 任务效能评估

准确有效地评估大型水陆两栖飞机执行森林灭火和水上救援任务的效能，不仅能帮助设计人员了解飞机本体的能力，而且能对任务规划提供参考，甚至能反向优化总体设计指标[6]。森林灭火和水上救援任务从单机任务到单机型多机联合任务，再到多机型多机联合任务，其复杂程度已经超出了传统系统工程的理解范畴，必须借助新的理论和方法来解决。

在系统工程视角下，效能是在特定的任务要求下，系统执行该任务能够满足要求的程度，是系统的有效度、可信度和固有能力的函数。基于这种理解，已经发展了许多成熟的评估方法，可以概括为4类：解析法、综合评估法、试验统计法和作战仿真法[7-10]。然而，从“效能”所具有的内涵来看，效能评估天然是与“特定任务”联系在一起的。系统工程视角下的效能评估方法却大多与“特定任务”脱节了，只能称之为“性能评估”。近年来，随着对体系(System of Systems, SOS)研究的深入，效能评估开始从系统工程视角转向体系视角，逐步实现了从“性能评估(Measure of Performancee, MOP)”到“效能评估(Measure of Effectiveness, MOE)”的跨越。

因此，对大型水陆两栖飞机森林灭火和水上救援的任务效能评估，必须用体系视角下的效能评估理论和方法解决，不仅要考虑复杂的系统间关系(在体系中，飞机、环境都被称为系统)、机队配置问题，还要兼顾飞机本身效能和体系的整体效能。建模和仿真领域的离散事件方法、人工智能方法、系统动力学方法、不确定性建模方法和复杂网络方法都为体系化效能评估提供了新思路[11]。

5 特殊任务模式带来的其他挑战

5.1 更高的腐蚀防护要求

在沿海高湿度、高温和高盐分环境中使用的飞机，长期受到化学侵蚀，极易产生机体结构腐蚀。腐蚀损伤不仅威胁飞行安全，而且会降低飞机使用寿命[12-13]。飞机内部结构和外部结构均会产生腐蚀损伤，飞机内部结构的腐蚀损伤通常是密封性能不佳引起的，而飞机外部结构由于直接与大气环境接触，极容易产生腐蚀损伤[14-15]。

和陆基飞机相比，水陆两栖飞机的工作环境更为恶劣。某大型水陆两栖飞机由于其特殊的任务用途和使用模式，长期在高温、高湿、高盐的环境下工作。该机在水面滑行取水或起飞时，船体直接浸泡在水中；执行灭火任务时，飞行高度较低，一般离树梢50～80 m，火场上空处于高温状态；在海上执行救援任务时，如果进行着水救援，海水将对机体产生强烈腐蚀。因此，在总体设计阶段，就应该充分考虑机体的腐蚀防护和密封设计要求。

在大型水陆两栖飞机的研制过程，通过建立腐蚀防护与控制技术体系(见图8)，从结构防腐蚀设计技术、系统安装防腐蚀技术和腐蚀控制技术3个方面保证全机的腐蚀防护性能。

腐蚀防护设计的第一步是材料表面处理和设计防护涂层，根据材料类型和结构特点采用不同的表面处理技术，如一般铝合金板材、挤压型材采用铬酸阳极化，如果是易磨损表面则采用硬质阳极化。防护涂层用来隔离腐蚀介质，飞机内部结构只涂底漆，外部结构采用底漆和面漆组合。此外，在飞机特定部位喷涂缓蚀剂能增强腐蚀防护效果。

为防止腐蚀介质渗入机体内部，全机进行了密封设计。水陆两栖飞机因为在水上滑行吸水或起飞时，直接与水接触，需要分别对机身、机翼、尾翼、浮筒和短舱进行排水系统设计，保证机体不产生腐蚀介质集聚，提高飞机防腐蚀性能。

飞机在制造阶段采取防腐蚀工艺措施的同时，也要制订使用阶段的腐蚀控制措施[16]。对飞机表面进行定期冲洗，特别是执行海上救援任务后，使用淡水冲洗能减缓腐蚀的发生。定期进行飞机结构腐蚀检查，依据相关标准对腐蚀现象进行腐蚀评级，进而采取对应的处理方法，可避免结构腐蚀影响持续适航性。

通过腐蚀防护与控制技术体系，大型水陆两栖飞机进行了完善的防腐蚀设计，为满足特殊任务模式提供了重要保障。

图8 大型水陆两栖飞机腐蚀防护与控制技术体系Fig.8 Corrosion protection and control technology system for large-scale amphibious aircraft

5.2 总体布局的紧凑型设计

CCAR-25-R4第25.755(a)条款规定，“船体必须具有足够数量的水密舱，使得在任何两个相邻隔舱大量进水后，船体和辅助浮筒(以及机轮轮胎，如果使用)的浮力能提供足够大的正稳定余度，使在汹涌的淡水中倾覆的概率减至最小”[17]。结合适航条款要求和飞机功能要求，进行了机身分舱设计，设置有7个水密舱和水箱。为保证水密舱的水密特性，满足水动力的要求，因此，整个通舱地板下都难以布置系统设备和线系。

这一特殊设计在满足灭火任务功能要求和水动力要求的同时，却是对CCAR-25-R4第25.903(d)条款中关于将非包容转子对飞机的危害减至最小的要求的极大挑战。各系统线系因为不能布置在地板下，只能向上紧密布置在舱门以上部分，当单台发动机单个1/3转子发生非包容事件时，更有可能会同时损坏实现同一关键功能的备份系统，导致灾难性事故。上述设计特征使满足AC 20-128A中关于关键系统防护的定性要求[18]的设计难度大大增加，对发动机非包容转子特定风险的分析与评估工作也造成了较大压力[19]。此外，设备不能布置在地板下部，天线布局也只能考虑远离水线的上部空间，紧凑的总体布局方案会对电磁兼容性和维修性也带来了一定的压力。

这就要求在飞机设计之初，综合考虑各方面的要求，制订合适的布置方案。如在机身结构设计时预留线束通道，在发动机短舱或机身受影响区域增加足够的防护，以满足安全性要求；在布置限制条件下，合理优化各设备的位置，提高设备的维修性和电磁兼容性。

5.3 驾驶舱集成面临的矛盾

相较于执行航线飞行任务的飞机，大型水陆两栖飞机因为集成了水上救援和森林灭火任务系统，因此在驾驶舱显示和控制系统方面增加了额外的设计工作。如水密舱渗漏水液位监控显示、水舵操纵开关、投水灭火开关、应急投水开关等的设计，既要满足任务系统的功能要求，又要避免该功能以不合适的方式将飞行机组的注意力从其他的驾驶舱信息和任务中吸引，影响绩效水平并导致总的安全性等级降低[20]。

现代驾驶舱告警系统的作用已经超出了通常涵盖的注意力引导作用，还包括给予飞行机组期望的提示、帮助机组降低工作负荷等作用。但是如果告警系统设计理念不明确、设计准则不统一、设计流程方法可操作性不强，设计出来的系统就可能在安全上存在隐患，成为妨碍飞行员感知飞机状态的祸首[21]。在特殊的任务环境下，大型水陆两栖飞机告警系统设计和集成面临巨大挑战。例如，在执行森林灭火任务时，飞机飞行高度较低，可能会触发拉起告警、地形告警、低空风切变等多个告警，极大干扰机组的正常飞行，导致机组工作负荷增加；在执行水上救援任务时，低空盘旋搜索、着水可能触发地形告警、着陆/着水构型告警，水面停泊、滑行时可能触发水密舱进水告警等；水陆转换逻辑也存在差异，陆上着陆时不放下起落架会产生告警，而着水时放下起落架会产生告警。

以上情形对于常规陆基飞机是不存在的，这就要求在告警系统设计时，一方面要综合考虑飞行过程和场景，对火场、水面等复杂告警环境进行准确判断、保证信号采集灵敏有效，同时要对告警信号进行智能分析和综合判断的集成；另一方面，要精心对告警场景进行分析、告警逻辑进行设计，保证集成后的告警信号准确有效，不能产生不利于飞行安全的影响。

6 结 论

大型水陆两栖飞机由于其特殊的任务模式，给飞机设计、制造和适航审定带来了一系列的挑战。针对这些挑战，从构型管理体系的建立、气水动布局综合设计、任务系统集成设计、驾驶舱集成设计、非包容转子的安全性设计到腐蚀防护设计等不同于陆基飞机的方面，进行了针对性的技术攻关，给出了独特的解决方式，取得了一定成果。但是，仍有一些问题值得重视：

1) 由于国内缺乏大型水陆两栖飞机的适航审定经验，针对一些特殊设计制订了专用条件，如何进行符合性验证对于申请方和局方都是考验。

2) 森林灭火和水上救援场景下的人为因素设计验证也无经验可循。

3) 高精度灭火投水机动飞行试验和恶劣环境下水面起降飞行试验都需要进一步的研究。

4) 大型水陆两栖飞机如何与现有应急救援体系集成，以发挥最大的效用。