水上飞机水位探测系统设计要求

水上飞机水位探测系统设计要求
发布时间：2022-04-25T09:24:51.728Z 来源：《中国科技信息》2022年第1期作者：刘亮亮；黄文峰
[导读] 水密舱室为水上飞机提供必需的浮力，在进水情况下会严重威胁飞机的水面运行安全。

刘亮亮；黄文峰
（中航通飞华南飞机工业有限公司广东省珠海市，519000）
摘要：水密舱室为水上飞机提供必需的浮力，在进水情况下会严重威胁飞机的水面运行安全。

水位探测系统提供进水监测告警功能，是保障水上飞机水面运行安全的重要系统，全面分析总结系统的设计要求可以为水上飞机的研制提供支持。

关键词：水上飞机；水位探测；进水；告警
水上飞机是指能在水面上起飞、降落和停泊的飞机。

水上飞机水面运行的能力是由其特殊的浮力结构保障的，浮力结构主要有船身式结构和浮筒式结构。

船身式结构即水上飞机的下半机身设计为船身结构，分为多个水密隔舱，为飞机提供水面运行的浮力。

船身式结构较为常见，且易于应用在大型水上飞机，如我国在研的大型水陆两栖飞机AG600、日本的US-2、俄罗斯的BE-200以及加拿大的CL-415等都是船身式水上飞机。

船身式水上飞机如图1所示，下半机身设计为船身结构。

浮筒式水上飞机一般为小型飞机，将起落架改为漂浮浮筒，提供水面运行的浮力，如图2所示。

图2 浮筒式水上飞机
虽然水上飞机一般都有抗沉设计，但这仅能保障飞机在水面漂浮不致沉没。

实际上当水上飞机浮力结构破损漏水或水密失效渗水时，飞机的重量重心会发生改变，影响飞机水上起飞的安全性，当重量重心的变化超出包线外甚至会造成灾难性事故。

因此为水上飞机配备相应的水位探测系统来监测浮力结构进水情况十分必要，在水面运行阶段即可告知机组飞机的进水情况，若进水严重可及时终止起飞，避免造成人员及财产的损失。

作为水上飞机特有的系统，水位探测系统目前研究较少，国外水上飞机相关资料少有提及，国内AG300、Ag600飞机等也都处于科研试制阶段，不像一般飞机通用系统有着大量的飞行数据支撑其设计及验证。

本文结合飞机系统的一般设计要求、适航条款要求以及水位探测系统的特殊功能来阐述水上飞机水位探测系统设计要求。

1 系统功能架构
水位探测系统功能包括水位信号探测功能，水位信号处理功能，系统输出处理后的水位信号至机上告警系统。

系统功能架构如图3所示。

图3 水位探测系统功能架构图
2 系统组成
水位探测系统包括水位信号探测设备和水位信号处理设备。

水位信号探测设备布置于需要监测的水密舱室内，将探测到得水位信号传递至水位信号处理设备。

水位信号处理设备处理各个水位信号转变为告警信息，并将告警信息传递至机上告警系统，由机上告警系统向机
组发出告警。

系统组成原理见图4。

图4 水位探测系统组成原理图
3 系统性能
水位探测系统探测的告警水量应满足飞机级分配的告警水量需求。

不同水密舱室进水对飞机重量重心的影响各不相同，飞机级需求应综合分析出各水密舱室允许的最大进水量，作为水位探测系统的设计输入。

4 系统监测告警设计要求
对于顶层需求分析出的需监测的水密舱室均应配置水位信号探测设备实施检测告警。

根据对飞行安全的影响分析，最大进水量告警应设置为警告级。

在出现最大进水量告警前应设置低一级告警，提示机组水密舱室已经进水，但还未达到影响飞行安全的进水量，给机组留出评估及处理时间。

水位信号处理设备进行信号运算处理时应考虑水面晃动等原因激发的水位探测信号，避免发出误告警信号。

系统应设置自检功能，能够对水位信号探测设备和水位信号处理设备自检，故障检测率不小于95%,故障个利率不小于95%。

水位探测系统保障的是飞机水面运行阶段的运行安全，对于飞机其它运行阶段可抑制系统的告警信号，降低系统虚警影响。

5 安全性要求
根据功能失效影响的严重程度，可以将失效状态分为灾难性的、危险的、较大的、较小的和无安全性影响的。

每一类失效状态影响的严重程度与允许发生概率存在着一个逻辑的和可接受的反比关系。

各失效状态分类和发生概率的关系见表1。

表1 失效状态分类和发生概率的关系
水密舱室进水到最大允许水量时，机组不知情继续按正常程序操作飞机起飞，此时会持续进水，当超出起飞重量重心允许的边界可能会造成飞机坠毁及人员损伤，根据上表定义该影响程度为危险的。

对于配备了水位探测系统的水上飞机，该情况可分解为两个组合事件，即：水密舱室进水到危险水量（定义为事件1，其发生的概率设为P1）并且水位探测系统危险水量告警失效（定义为事件2，其发生的概率设为P2），因此P1×P2≤10-7······（1）。

水密舱室本身是水密设计，正常情形下不会进水，因此事件1是概率小于1的非正常事件。

目前进水概率国内外暂无相关公开数据，考
虑到国内水上飞机的研制还未处于成熟定型阶段，可暂定10-5≤P1≤10-3（以下论述取P1=10-4）······（2），在取得成熟试飞数据后可视情调整。

由式（1）和式（2）可得P2≤10-3。

而事件2“水位探测系统危险水量告警失效”包括水位信号探测设备失效、水位信号处理设备失效、信号传输线缆失效、机上告警系统失效、电源供电线缆失效等。

以事件2作为顶事件再开展相关的故障树分析，将总失效概率（即P2≤10-3）分配至各底层事件，从而得出各设备/零部件需满足的失效概率要求。

6 环境适应性要求
水位探测系统的设备应根据其安装区域所处的环境满足规定的温度高度、温度变化、振动、工作冲击和坠撞安全、防水、防爆、电磁兼容等环境适应性要求，各试验验证参考DO-160相关章节实施即可。

同时应注意水上飞机相比陆上飞机有着更严酷的防腐防护要求，系统各设备的防腐设计应按照水上飞机顶层制定的腐蚀防护要求执行。

7 机上验证要求
应规划机上地面试验，验证水位探测系统告警功能。

试验应包括各水密舱室告警水量的验证、单舱及多舱进水告警逻辑验证。

在往各水密舱室加水时应注意避免损伤周边其它系统的设备，试验完成后应及时排干水密舱室中的水。

8 结论
水位探测系统是水上飞机的特有系统，本文以保障水上飞机水面运行安全的顶层需求为出发点，从功能架构、组成原理、告警设置、安全性设计、装机环境适应、机上试验验证等方面分析总结出系统的设计要求，为水上飞机水位探测系统的设计提供了设计指引。