ICS 49.020 V 35
HB 8702-2023
飞机水上迫降拖曳水池模型试验方法
Ditching test method with model of airplane in towing tank
2023-12-29 发布 2024-07-01 实施
中华人民共和国工业和信息化部发布
前言
本文件按照 GB/T 1.1-2020《标准化工作导则第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。
本文件由中国航空综合技术研究所归口。
本文件起草单位：中国特种飞行器研究所、湖北省标准化与质量研究院、中国航空综合技术研究所。
本文件主要起草人：何超、张家旭、廉滋鼎、陶威、李继雄、吴彬、王明振、刘丽丽、万蓉、高家鸣、林志昆。
飞机水上迫降拖曳水池模型试验方法
1 范围
本文件规定了运输类飞机水上迫降拖曳水池模型试验的要求与方法。
本文件适用于运输类飞机缩比模型在拖曳水池中的水上迫降模型试验，其他飞机可参照使用。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件， 仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 1804 一般公差未注公差的线性和角度尺寸的公差
CB/T 3675-2006 水面船模耐波性试验规程
AP-21-AA-2011-03-R4 航空器型号合格审定程序
CCAR-25-R4 中国民用航空规章第 25 部运输类飞机适航标准
3 术语和定义、符号
3.1 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1.1
水上迫降 ditching
着陆场在海洋、湖泊等水面上的应急降落，分为有计划水上迫降和无计划水上迫降。
3.1.2
模型投放高度 model launch height
试验用垂直速度实现装置达到要求的垂直速度并稳定所需要的高度。
3.1.3
模型距离水面高度 model distance from water surface
试验模型安装到试验支架后，模型离水面最近的点距离静水面的高度。
3.1.4
规则波 regular wave
可用单一正弦(余弦)函数表示的波浪。
3.1.5
弗劳德数 Froude number
流体力学中表征流体惯性力和重力相对大小的一个无量纲参数，记为 Fr。它表示惯性力和重力量级的比。如公式(1)所示。
Fr = V……………………………………………(1)
式中：
V ——速度，单位为米每秒(m/s);
g ——重力加速度，1g=9.81m/s2;
▽ ——体积，单位为立方米(m3)。
3.2 符号
下列符号适用于本文件。
a ——线加速度，单位为重力加速度(g);
F ——力，单位为牛顿(N);
HJS ——模型距离水面高度，单位为米(m);
HTF ——模型投放高度，单位为米(m);
h ——波高，单位为米(m);
I ——惯量，单位为千克米的平方(kg ·m2);
L ——模型长度，单位为米(m);
l ——波长，单位为米(m);
m (实)——模型试验时实际质量，单位为千克(kg);
m ——模型质量，单位为千克(kg);
VH ——垂直速度，单位为米每秒(m/s);
VS ——试验水平速度，单位为米每秒(m/s);
nF ——过载峰值，单位为重力加速度(g);
n0 ——初始过载，单位为重力加速度(g);
Δn ——过载变化值，单位为重力加速度(g);
P ——压强，单位为牛顿每平方米(N/m2);
PF ——压力峰值，单位为千帕(kPa);
P0 ——初始压力，单位为千帕(kPa);
ΔP ——压力变化值，单位为千帕(kPa);
Ts ——水温，单位为度(℃);
Tj ——气温，单位为度(℃);
t ——时间，单位为秒(s);
XX——模型重心位置，单位为百分之平均气动弦长(%MAC);
δFY ——前缘缝翼偏角，单位为度(˚ );
δJY ——襟翼偏角，单位为度(˚ );
δPW ——平尾偏角，单位为度(˚ );
δZ ——升降舵偏角，单位为度(˚ );
θF ——俯仰角峰值，单位为度(˚ );
θ0 ——机身初始俯仰角，单位为度(˚ );
θ ——试验前实际测试的俯仰角，单位为度(˚ );
Δ θ ——俯仰角变化值，单位为度(˚ );
λ ——缩尺比例;
φF ——横滚角峰值，单位为度(˚ );
φ0 ——着水初始横滚角，单位为度(˚ );
Δφ ——横滚角变化值，单位为度(˚ )。
4 试验要求
4.1 试验目的
按照 CCAR-25-R4§25.801 要求开展试验。水上迫降模型试验的目的主要是通过一系列的试验来确定飞机在水上应急迫降时应采用的最佳状态(飞机的最佳入水角度、着水速度、襟翼位置、起落架收放状态等)，并测量水载荷，用于评估飞机的结构强度和水上漂浮特性。
4.2 试验原理
水上迫降模型试验是按照弗劳德(Fr)相似模拟实机水上迫降全过程，通过对模型的运动姿态幅值、过载幅值、底部压力幅值等参数进行测量。
4.3 试验项目
按试验内容可分为稳定性试验、着水载荷试验、漂浮特性试验。其要求如下：
a) 稳定性试验，主要是测定飞机水上迫降时最有利的入水状态，包括入水角度、构型、重量、重心位置、水平速度、垂直速度、襟/缝翼偏角、升降舵偏角和起落架收放状态等，为制定飞机水上迫降应急操作程序提供依据;
b) 着水载荷试验，主要是测量飞机在水上迫降过程中的载荷，包括机身结构着水压力分布、过载，为飞机水上迫降结构设计和强度分析提供设计载荷;
c) 漂浮特性试验，主要是测量飞机水上迫降时的漂浮特性数据，包括飞机入水后的水面滑行时间、稳定前的状态、在水中下沉过程中的姿态、水线位置和漂浮时间等数据。
4.4 试验任务书
试验任务书由委托单位提出，一般包括：
a) 试验目的;
b) 试验项目;
c) 试验模型;
d) 试验工况;
e) 试验要求;
f) 试验测试参数;
g) 试验完成形式。
4.5 试验大纲
试验大纲包括以下内容：
a) 试验任务来源;
b) 试验目的和范围;
c) 试验模型;
d) 试验测试参数;
e) 试验设施及试验装置;
f) 试验要求;
g) 试验步骤;
h) 试验记录项目;
i) 测试设备;
j) 试验数据处理原则与方法;
k) 试验成功与否的评判标准;
l) 试验报告编写要求。
注：若该试验为适航验证试验，试验大纲应经过适航审查代表批复后方可开展试验。
4.6 试验相关文件、记录
试验承担方应提供试验所需的技术文件、图样、工艺文件、试验依据性文件以及试验过程中需用的各类记录表格，需试验委托方对其进行确认。
注：若该试验为适航验证试验，上述文件需通过适航工程符合性检查。
4.7 试验模型
4.7.1 模型相似准则
模型制作按弗劳德(Fr)相似准则组织开展，试验模型必须同时满足几何相似和运动相似，各参数比例关系见表 1 所示。
表 1 模型比例关系
4.7.2 缩尺比例λ 的确定
尽量选择大尺寸模型进行试验，试验模型的缩尺比例λ 的确定应考虑水池宽度、模型内部空间、拖车速度等相关要求，包括：
a) 满足几何尺寸和重量及惯量相似的条件下，模型加工实现的可能性;
b) 与λ 值有关的模型试验速度应不大于水池拖车所能达到的最大稳定运行速度;
c) 保证模型在池中有回旋余地，模型的横向尺寸应不大于 0.6 倍的水池宽度;
d) 模型内部应有足够的空间以容纳各种测试仪器。
4.7.3 制作要求
试验模型的制作应考虑以下相关要求，包括：
a) 模型制作材料可为木头、玻璃纤维、碳纤维等材料， 模型制作要求其刚度和强度应能保证试验过程中不发生破损，模型各部件自身重量应能控制，同时满足试验任务书规定的重量、重心及惯量状态或试验区间要求;
b) 模型触水部分，包括试验时可能被水浸湿的部分应确保水密性(固定开口除外);
c) 模型外形检验按照 CB/Z 244 对试验模型外形要求执行;
d) 襟翼、缝翼、方向舵等可转动部位应保证转动顺畅并且转动角度可调;
e) 模型表面光滑无裂纹，外形光顺。
注：若为适航验证试验，模型制作方还应提供相关技术文件供适航代表进行审查。
4.7.4 试验模型组装
按照设计图样进行模型组装，在组装完成后，将试验模型在平台上调至水平状态，测量模型上各测量点的坐标(飞机模型的坐标参照实机坐标进行确定)。各测量点坐标与其理论值的公差应符合GB/T 1804 的相关要求。
注：模型移交时应提供模型质量合格证明文件及模型加工材料清单、模型制造生产环境记录、模型制造配料记录、模型生产工序流程卡等相关记录文件。
4.8 试验环境
拖曳水池试验环境包括试验环境温度、试验水温和试验波浪等。 试验波浪的模拟要求按CB/T 3675-2016 中 4.1 的要求，波浪试验前应按波浪要求对造波机进行标定：浪高仪定点测量时离开造波机的距离大于最大波长的 2 倍，离开池壁的距离不小于 1.5m。
4.9 试验设备
试验设备主要包括拖车、造波机、投放支架、试验模型保护装置、试验投放装置、测试系统等。设备功能如下：
a) 拖车提供模型的水平速度;
b) 试验投放装置提供模型的垂直速度;
c) 造波机生成符合试验参数要求的波浪;
d) 测试系统包括数据采集器、加速度传感器、压力传感器、陀螺仪、浪高测试系统、摄像机、数显水平仪等。
主要测试设备量程和精度应满足表 2 中的要求。
表 2 主要测试设备量程和精度要求
4.10 试验场地
试验场地应便于开展试验模型安装、拆卸、状态调整、数据采集等工作，具体要求如下：
a) 拖曳水池应具有一定的深度和宽度，以避免池壁效应对试验数据的干扰;
b) 试验场地应具有风、浪防护措施，场地内风速应不大于 1m/s，避免试验系统以外的风、浪对试验目标环境进行干扰;
c) 单次试验结束后，试验环境可在较短时间内归零，以及时开展后续试验。
4.11 试验人员
试验人员应持证上岗，并严格按照操作规程操作。
4.12 适航要求
若该试验为适航验证试验，应满足 AP-21-AA-2011-03-R4 中 4.5.1.1 对申请人试验准备和试验的相关要求。
5 试验程序
5.1 试验准备
5.1.1 测试设备安装及模型状态调试
按照试验大纲或模型设计图样要求进行测试传感器的布置，传感器布置完成后按试验大纲规定的重量、重心及惯量要求对模型进行调试， 并记录不同重量、重心及惯量时对应的测试设备和各配重块的安装位置，将测试设备和各配重块的大小及位置绘制成图。其中，模型重量、重心及惯量调试要求如下：
a) 模型重量误差±0.5kg;
b) 模型重心误差±1%MAC;
c) 模型惯量误差±10%。
5.1.2 测试设备调试
试验状态检查完好后开始试验模型的安装，试验模型安装完成后，按试验大纲的要求组织试验前的设备调试，设备调试方法：
a) 编制调试方案及应急预案，按步骤分别进行分系统调试和联调试。联调试时， 应协调各系统的关系，确保试验满足调试方案和试验大纲的要求;
b) 调试现场应有安全防护装置，异常时应及时终止调试，待查明原因后，方可再调试和预试，直至满足试验要求，记录调试结果并出具调试报告。
5.1.3 准备状态检查
试验前，应组织对试验的技术文件、试验模型、试验设备和测试设备、试验环境条件、人员等准备情况进行检查，并记录检查情况，对发现的问题整改归零。检查时还包括：
a) 根据试验状态及要求调整好模型的襟翼、缝翼、平尾和升降舵等活动部件的位置;
b) 取每次试验的重心 Z 向垂线与模型外型交接位置为模型起吊点;
c) 按试验要求在模型上标识机身基准平面(XY 平面)与机身的交线;
d) 在模型上标识出应急出口的尺寸和位置(仅限漂浮特性模型);
e) 试验前填写试验状态牌，进行试验前状态检查，保证模型状态与试验内容的一致性;
f) 对模型重量进行检查，满足试验大纲要求的重量偏差后方可试验;
g) 对试验设备位置进行检查，未发生位置偏移方可试验。
注：X 轴与机身水平基准线重合，逆航向为正;Y 轴过原点O 且垂直于飞机对称面，顺航向看向右为正;Z 轴在机身对称平面内、过原点 O 且垂直于X 轴，向上为正。
5.2 试验步骤
5.2.1 试验装置及模型安装
试验装置及模型安装方法如下：
a) 将试验装置和控制系统安装到试验拖车上，并调试正常;
b) 调试模型状态步骤如下：
1) 按照试验大纲确定飞机构型和重量、重心及入水姿态角;
2) 按照稳定性模型试验确定的入水姿态角、飞机构型和重量、重心位置确定着水载荷模型试验状态(仅限着水载荷模型试验);
3) 按照着水载荷模型试验确定的压力分布情况及模型破损情况对漂浮特性模型进行开口处理;
4) 按照稳定性和着水载荷模型试验确定最佳入水姿态角和飞机构型，以及漂浮特性规定的重量状态进行漂浮特性模型试验(仅限漂浮特性模型试验)。
c) 将调整好状态的试验模型安装到试验装置上并调整试验装置上与模型连接位置的相对高度来调节模型的初始姿态角度，使其满足试验所需要的入水俯仰姿态，试验水平仪测量试验模型初始俯仰姿态角度，并记录在表 A.1;
d) 确定模型距离水面的高度静水试验时的距离水面高度为 HJS=HTF+10mm;波浪试验时应考虑到波高的影响，距离水面高度确定为 HJS=0.5h+HTF+10mm，其中 h 为规则波的波高;
e) 模型初始试验状态调整完成后，检查加速度传感器、陀螺仪的运行状态是否正常， 开启测试和采集系统电源，使采集系统处于待机状态，同时开启录像及照相设备，并将录像设备和照相设备的基准时间调成一致。
5.2.2 试验方法及数据采集
5.2.2.1 造波及启动拖车
输入需要的波谱，启动造波机，造出所需模拟海况的波浪，待波浪到达预定位置(静水试验跳过此步骤)，启动拖车。选取合适的拖车加速度，保证拖车运动过程中试验装置对模型不产生破坏或模型不脱离试验装置。当拖车速度达到试验水平速度并稳定 2s 之后，启动控制系统控制试验装置达到需要的垂直速度并保持恒定后触发投放器释放开关，此时投放器打开，模型自由脱离试验装置。模型脱离试验装置及模型入水、滑行过程应保证试验装置对模型不存在干扰。
5.2.2.2 记录试验数据
在触发投放器释放开关时，数据采集器开始工作，所有的数据都将保存在采集器存储器当中直到人为清除。投放完成后， 模型漂浮于水面上，通过录像机观察记录模型在静止水面或波浪水面上，水线位置随时间变化的情况，并填写表 A.2。当水线位置达到前、后舱门线时，观察结束(仅限漂浮特性模型试验)。
5.2.2.3 回收模型及试验数据
试验人员采用专用的模型打捞工具将模型从水中脱离，并与拖车连接，启动拖车回到船坞，将模型放置在船坞规定的位置。待模型回到船坞之后， 关闭测试及采集系统，并通过专用的数据传输装置将数据采集器所采集到的传感器数据传输到地面设备，供试验分析使用，同时收集录像资料。
5.2.3 试验有效性分析
检查安装压力传感器的模型部位是否有漏水现象(仅限着水载荷模型试验)。分析模型试验时的运动状态以及数据采集系统所采集到的数据，确定试验结果是否有效并决定是否继续试验。如数据有效， 则
依照试验大纲，重新按照 5.1.3 检查确认后续试验模型的状态，并重复步骤 5.2.1～5.2.2 实施后续试验。如数据无效则检查原因，待故障解决后方可继续试验。
5.3 试验中断及故障处理要求
5.3.1 试验中断要求
试验过程中发生下列情况时，应立即中断试验：
a) 试验模型变形或损坏;
b) 试验模型初始试验状态、试验环境与试验大纲存在偏差;
c) 试验设备故障;
d) 其他可能危及试验安全的现象。
5.3.2 故障处理要求
试验故障处理应按如下要求进行：
a) 试验模型变形或损坏时，则应对试验模型进行检修，直至试验模型满足 4.5 的要求才可恢复试验，并对受影响的内容进行复试;
b) 试验模型初始状态、试验环境与试验大纲存在偏差时， 应查明偏差原因并排除偏差，满足试验大纲要求后方能进行试验;
c) 试验中出现试验设备故障及其他危险中断试验后，应查明原因，排除故障和危险，并判断已试内容的有效性，决定补试或重试;
d) 试验中出现试验模型初始状态偏差、试验过程试验模型状态超出预期等原因中断试验后， 应查明原因，根据现场实际情况，确定是否对中断时的试验工况进行重试。如不需要， 则应尽快调整试验模型状态，恢复试验。
注：若为适航验证试验，试验中断及故障处理需通过适航代表审查。
6 试验数据记录和处理
6.1 试验数据采集
试验的测试记录应真实反映水上迫降试验的全过程及测试数据，试验采集要求具体如下：
a) 稳定性试验采集加速度传感器和陀螺仪的数据;
b) 着水载荷试验采集加速度传感器、压力传感器和陀螺仪的数据;
c) 漂浮特性试验采集加速度传感器、陀螺仪数据及模型漂浮过程中水线位置和漂浮时间， 记录水线达到应急出口门槛的时间;
d) 试验数据采集的时间，应大于模型迫降到模型稳定的时间。
注 1：加速度传感器输出试验过程中模型相应位置的垂向过载、纵向过载和侧向过载随时间的变化历程。
注 2：陀螺仪输出试验过程中模型的俯仰、滚转、偏航姿态角随时间的变化历程。
注 3：压力传感器输出试验过程中机身底部压力随时间的变化历程。
6.2 试验数据处理
首先对采集的数据进行前期分析，确认试验数据是否完整、是否符合飞机迫降后观察到的运动情况，符合则为有效数据，不符合则为无效数据。
对有效数据的处理方法：针对测试的不同数据，采用专业软件进行频谱分析，在综合分析的基础上，确定输出信号的有效特征频率范围，并确定滤波频率和滤波方法。对所采集的每一条时间历程数据进行滤波处理，绘制滤波后的时域曲线。对处理后的测试数据进行综合分析， 观察相关试验现象，总结变化
规律，确认试验结果的可靠性。
对滤波后的各测试参数的试验曲线取初始值、峰值， 通过公式(2)～公式(6)计算得到各参数幅值结果，并记录在表 A.3 中。
Δ θ = θF _ θ0……………………………………………(2)
Δφ = φF _ φ0……………………………………………(3)
Δψ = ψ F _ ψ 0……………………………………………(4)
Δn = nF _ n0……………………………………………(5)
ΔP = PF _ P0……………………………………………(6)
式中各符号对应的参数见 3.2。
7 试验有效性的评定
试验满足以下要求则认定试验成功：
a) 试验模型着水姿态角与预设姿态角一致;
b) 试验模型的运动参数应与测量参数(包括：俯仰角度、压力、过载等)趋势一致;
c) 试验测试数据完整无丢失;
d) 录像能够完整地记录试验过程，包括水线位置的刻度和漂浮时间(仅限漂浮特性试验);
e) 试验状态、方法及过程满足试验大纲的相关要求。
注：若该试验为适航验证试验，还应满足负责该试验项目的工程审查代表对试验过程现场目击中提出的相关要求。
8 试验报告编写
试验报告主要内容包括：
a) 试验目的和范围;
b) 试验项目;
c) 试验模型状态;
d) 试验要求;
e) 试验设施与设备;
f) 试验模型传感器布置;
g) 试验步骤;
h) 试验记录及结果;
i) 试验数据;
j) 试验结论。
注：若该试验为适航验证试验，试验报告应参照 AP-21-AA-2011-03-R4 中 4.5.1.7 的要求编写。
附录 A
(资料性)
试验表格样式记录
A.1 试验数据记录
试验过程中需要进行记录的数据和各个符号代表的名称及单位，具体见表 A.1。
表 A.1 试验数据记录表m = ;XX= ;Ts = ;Tj = ;
A.2 水线位置记录
漂浮特性试验过程中需要进行记录的水线达到应急出口门槛的时间，具体见表 A.2。
表 A.2 水线位置记录表
注：X 轴与机身水平基准线重合，逆航向为正;Z 轴在机身对称平面内、过原点 O 且垂直于X 轴，向上为正。
A.3 试验结果记录
试验数据滤波处理后进行记录，具体见表 A.3。
表 A.3 试验结果数据记录表
数据记录人员： 日期：
