新型飛機(jī)跑道方案計劃

1、新型傾斜飛機(jī)跑道設(shè)計構(gòu)想引言機(jī)場跑道是指飛機(jī)場內(nèi)用來供應(yīng)航空飛行器起飛或降落的超長條形區(qū)域,其材質(zhì)可以是瀝青或混凝土，或者是弄平的草、土或碎石地面，也可以是水面， 甚至可以是木板，頁巖，珊瑚蟲，粘土等鋪設(shè)的?，F(xiàn)在全球范圍內(nèi)跑道普遍使用 以陸地為基礎(chǔ)。第一章現(xiàn)有飛機(jī)跑道概述現(xiàn)在的飛機(jī)跑道都是水平鋪設(shè)的，飛機(jī)在著陸過程中存在著較長的著陸滑跑距離，其所具有的能量以熱能的形式散失而無法重復(fù)利用。在起飛過程中的滑跑距離則更長。這導(dǎo)致了在現(xiàn)有技術(shù)條件下， 飛機(jī)跑道的長度難以縮短，能量被大量浪費(fèi)。表格1列出了部分型號飛機(jī)的起飛著陸性能：飛機(jī)號型米格-27幻影5F-4E波 音747DC-863超起飛跑距離/m

2、滑700900133831703505著陸滑80083091519421801跑距離/m表格1從表格1中可以看出，戰(zhàn)斗機(jī)起飛和著陸滑跑距離較短，在 1000m左右,而運(yùn)輸機(jī)則在2000m至3000m左右。特別是在高原地區(qū)，由于空氣稀薄，相同速度下產(chǎn)生的升力小于水平面，所以在起飛過程中所需的滑跑加速距離特別長。世界上最長的民用機(jī)場跑道中國昌都邦達(dá)機(jī)場長度5500米，海拔4300多米。美國加利福尼亞州穆羅克的羅杰斯干湖床上的愛德華空軍基地跑道長度達(dá)11265米。有沒有一種方法可以在現(xiàn)有飛機(jī)性能的前提下縮短飛機(jī)跑道長度呢？第二章理想化模型可以嘗試建立一個理想化的物理模型：在水平地面上運(yùn)動的質(zhì)量為m的

3、質(zhì)點(diǎn)，速度為v,地面摩擦因數(shù)為小，停止距離為s.則有（以下，G為其重力，N為其與地面的壓力，l為其在斜面的位移，g為重力加速度，f為摩擦力）則圖1 :得出G mgf Nfs1 - mv2si2v2-g如果,將水平面改為傾角為8的傾斜面，則如圖2圖2G mgN G cosf Nf Gcosmadvdt dl v dt TOC o 1-5 h z 積分，得 0lv vdv0g(sincos )即2 l -、2g( cos sin ) HYPERLINK l bookmark20 o Current Document s2l cos從而有2vs2 一-2g( tan )因此As2所以，初速度相同時在

4、傾斜軌道上運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)停止所需的距離要短于在水平軌道上運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)。同理，質(zhì)點(diǎn)收到外力作用加速至一定速度時， 在傾斜軌道上 向斜下方運(yùn)動要比單純借助外力加速所需的距離要短。 因此，借助傾斜軌道可以 利用重力的效應(yīng)，縮短飛機(jī)的滑跑距離。第三章飛機(jī)滑跑模型起飛過程但是飛機(jī)的運(yùn)動情況要比質(zhì)點(diǎn)復(fù)雜的多，除了重力、支持力、摩擦力之外，還有升力和空氣阻力，而后兩者都是隨速度變化的函數(shù)。下面對于飛機(jī)起飛時滑跑距離的問題作進(jìn)一步討論。飛機(jī)起飛（或降落）受力如 圖3所示D開始，飛機(jī)的阻力和升力都等于 0;隨著滑跑速度的增加，阻力和升力也跟著增大。當(dāng)滑跑速度略大于飛機(jī)的失速速度的10%時，飛機(jī)抬頭，迎角增加,升力很快

5、超過重力，由于地面摩擦阻力的消失和起落架的收起使飛機(jī)阻力大大減 小，飛機(jī)凈推力增加。飛行速度達(dá)到 1.2vs （失速速度）時，飛機(jī)轉(zhuǎn)入爬升。按 照FAA規(guī)定，起飛安全速度大于等于1.2vs。其中Vs2GCL,maxS（G為飛行重力，Cmax為最大升力系數(shù)，S為機(jī)翼面積）則有平行地面方向向前合力為D (G L)F ma觀察此式，加速度a為T（發(fā)動機(jī)推力）、D （空氣阻力）、G （飛機(jī)重力）、L（升力）、的函數(shù)。起飛之際，在大部分起飛距離內(nèi)， T為合理常數(shù)（特別是對噴氣式飛機(jī)），G、 也是常數(shù)。但L和D兩者隨速度而改變。因為v2SCL其中AR為飛機(jī)的展弦比。對于2v S(CD,0CL2eAR需做些

6、解釋。當(dāng)飛機(jī)接近地面飛行時，其翼尖漩渦的強(qiáng)度，因為與地面的交互影響，多少有些降低。因為這些漩渦，誘導(dǎo) 機(jī)翼產(chǎn)生下降流w （downwash ）,接著又生誘導(dǎo)阻力；當(dāng)飛機(jī)接近地面飛行時，下降流和連帶的誘導(dǎo)阻力都降低了，這一現(xiàn)象稱之為地面效應(yīng)（ground effect ）,這是因為飛機(jī)高于地面接近降落的瞬間，具有上浮傾向。基于空氣動力學(xué)原理得近似式為（16h/b）21 （16h/b）2其中，h為機(jī)翼距地面高度，b為翼展。基于上述，要精確計算在起飛距離內(nèi)速度對時間的變化和最后的離地距離，需對上式進(jìn)行積分。且應(yīng)分別由上兩式考慮到 T和D因速度不同的變化，以及任何對推力T的速度影響。這些力沿起飛距離的

7、標(biāo)準(zhǔn)變化如圖4所示。其中s1正比于v2。因D和T都正比于動壓q 1 v2，故他們在圖中看來，近似線性變化；同時，該圖依賴噴氣飛機(jī)繪出，故推力 T亦為相對的常數(shù)。JJkc工簡單而近似的起飛距離Se可求得如下。假定T為常數(shù)，也假定阻力和摩擦 力之和平均值為D (W L)平均，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)钠痫w距離SloO于是，作用于起 飛飛機(jī)的有效力為F有效T D (W L)平均由圖4來看，該假定是合理的：故加速力為 F有效。F有效dv m一 dtds dtSlo f有效0 mdsVvdv02v ms 2F有效代人F有效得v2 GSl 00 2gT D (G L)平均前面提到過，根據(jù)FAA規(guī)定，為保證起飛時有安全余

8、額（a margin of safety ）,離地速度通常高于失速速度的20%。故vL01.2vs1.22GSCL,max代人Vlo得SLo1.44G2g SCL,maxT D(GL）平均07 vL0時的瞬時值,即大D (G L)平均D (GL)0.7vL0Richard S. Shell建議將上式中平均力等價為其在約為0.5 Sl0時的瞬時值（因為上圖中s正比于v2）降落過程接下來考慮正在降落的飛機(jī)。飛機(jī)接地后，在地面上跑行距離間的受力與上 圖完全相同，而其瞬時加速度（此情形為負(fù)值）也與起飛時加速度表達(dá)式相同。但是，為了減低達(dá)到全停點(diǎn)的距離，假定駕駛員曾經(jīng)減速，使飛機(jī)接地時推力T=0 ,故降

9、落地面時飛機(jī)滑跑運(yùn)動方程為dvD (G L) mdt飛機(jī)降落時標(biāo)準(zhǔn)作用力的變化圖如圖5所示D設(shè)接地速度為Vt,可由此計算降落滑跑距離?？梢郎瞎?jié)方式，計算(G L) 0,7為保持安全因數(shù)，取Sl的近似表達(dá)式。假定D (G L)平均常數(shù)值Sl2,%G/g2D (GL)o,7vtvT =1.3Sl1.69G2gSCL,maxD(GL)0.7VT從Sl和SL0的計算可以看出，在水平跑道上，摩擦因數(shù)以與起飛和著陸滑跑距離相關(guān)。由開始時的理想化模型可以推論， 在水平跑道上滑跑的飛機(jī)的摩擦阻力由在傾斜跑道上滑跑的飛機(jī)的摩擦力和重力的一個分力替代，即將上述Sl和Sl。表達(dá)式中以替換為(tan )之后，表達(dá)式即

10、為傾斜跑道的滑跑距離，即_1,44G2sa 飛 - I gSCL,maxT D ( tan )(G L)o,7vl01.69G2S 落 Z；：-Zg SCL,maxD ( tan )(GL)。吠經(jīng)驗顯示，摩擦因數(shù)小的變化，從相對平滑跑道路面的0.02到草地上的0.10。所以，相對于小而言，tan 8的改變要顯著的多(tan1.2 0可達(dá)到0.02 , tan10 0即為0.17),對于滑跑距離的影響也比跑道情況要顯著的多。理論計算新型跑道的效果以在水平光滑跑道(以=0.02 ) CJ-1的起飛過程為例，假定Cjmax在起跑離 地前為1.0,已知飛機(jī)h/b=0.013,根據(jù)公式計算可得，起飛滑跑

11、距離約為 1060 米，而如果在傾角為10的跑道上起飛的話，根據(jù)上述公式計算可得起飛滑跑距 離約為845米，可縮短大約20%。而由于起飛過程中推力遠(yuǎn)大于阻力，所以起 飛中8作用并不是太明顯?？紤]同樣重量的CJ-1的降落滑跑過程，采用襟翼最大升力系數(shù)可達(dá)2.5,踩剎車摩擦系數(shù)可達(dá) 0.3。根據(jù)公式計算在水平跑道上降落的飛機(jī)滑跑距離為 549米，若在傾斜角為10的跑道降落，則可以將降落距離縮短為352米，可縮 短接近40%,這個效果是非常顯著的。在降落時，剎車能量限制必須保證地面減速滑跑的安全。著陸時，大名勺50%的能量被剎車吸收，轉(zhuǎn)化成熱能。由于剎車吸收熱能有限，如果超過剎車最大熱 容量，剎車會

12、燒壞失效，飛機(jī)可能沖出跑道。即使未超出其最大熱容量，降落過 程對剎車系統(tǒng)和輪胎的損耗也是不可忽視的。而若采用傾斜跑道，則可以將很大 的能量避免通過摩擦消耗，這樣可以有效地降低對小的要求，從而延長剎車系統(tǒng) 和輪胎的壽命。避免吸收過多能量對飛機(jī)造成損害的同時， 降落過程中的部分能量以重力勢能的形式儲存了起來。在下次起飛時， 可以再次利用重力的加速作用，從而在縮 短起飛和降落滑跑距離的同時節(jié)約了能源，減少了排放對環(huán)境的破壞。跑道示意如圖6所示結(jié)論建造此種跑道的過程中，最大的困難是施工難度較大。設(shè)計時可以因地制宜， 在較緩的山坡上進(jìn)行施工。特別是在高原地區(qū)，由于空氣稀薄，產(chǎn)生升力難度較 大，因此起飛滑跑距離特別長，而高原地區(qū)符合適當(dāng)傾角的地形比較常見。因此通過傾斜跑道解決滑跑距離過長、對輪胎和剎車系統(tǒng)損害較大、能量不能充分利 用的問題是可行的?？偨Y(jié)通過參與創(chuàng)意大賽，我收獲了很多。從一個想法到理論驗證，用到的大多數(shù) 知識都是目前從未接觸過的，從圖書館、網(wǎng)絡(luò)浩如煙海的資料中尋找有用的信息， 對我們來講不僅僅是知識的增長過程，更是自主學(xué)習(xí)和自主創(chuàng)新能力的提升過 程。另外一點(diǎn)感受很深的是，在新領(lǐng)域的探索道路上，我們依舊要聽取前人的經(jīng) 驗，結(jié)合自己做的實際情況，認(rèn)真思考，不可將經(jīng)驗視為永恒的真理，而是要帶 著疑問去實踐。創(chuàng)意賽中可能很多想法是不切實際的，但很多真正的創(chuàng)新正