新型飞机跑道方案

1、.专业资料.新型倾斜飞机跑道设计构想引言机场跑道是指飞机场用来供应航空飞行器起飞或降落的超长条形区域，其材质可以是沥青或混凝土，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，页岩，珊瑚虫，粘土等铺设的。现在全球围跑道普遍使用以陆地 为基础。第一章现有飞机跑道概述现在的飞机跑道都是水平铺设的，飞机在着陆过程中存在着较长的着陆滑跑 距离，其所具有的能量以热能的形式散失而无法重复利用。在起飞过程中的滑跑距离则更长。这导致了在现有技术条件下， 飞机跑道的长度难以缩短，能量被大 量浪费。表格1列出了部分型号飞机的起飞着陆性能：飞机型号米格-27幻影5F-4E波音747DC-8 超63起飞

2、滑跑距离/m700900133831703505着陆滑跑距离/m80083091519421801表格1从表格1中可以看出，战斗机起飞和着陆滑跑距离较短，在 1000m左右， 而运输机则在2000m至3000m左右。特别是在高原地区，由于空气稀薄，相同速 度下产生的升力小于水平面，所以在起飞过程中所需的滑跑加速距离特别长。世5500米，海拔4300多米。美国界上最长的民用机场跑道中国昌都邦达机场长度加利福尼亚州穆罗克的罗杰斯干湖床上的爱德华空军基地跑道长度达11265米。有没有一种方法可以在现有飞机性能的前提下缩短飞机跑道长度呢?第二章理想化模型可以尝试建立一个理想化的物理模型：在水平地面上运

3、动的质量为 m的质点, 速度为V,地面摩擦因数为N，停止距离为s.则有（以下，G为其重力，N为其与地面的压力，l为其在斜面的位移，g为重力加速度，f为摩擦力）则图1:得出mgfs1 - mv2S1如果，将水平面改为倾角为9的倾斜面2V2 g,则如图2V积分，得即从而有因此图2G mgN G cosf Nf G cos madv adtdl v -dt0lv vdv 0g(sin cos )2l、2g( cos sin )s2l cos2vs22g( tan )*s2所以，初速度相同时在倾斜轨道上运动的质点停止所需的距离要短于在水平 轨道上运动的质点。同理，质点收到外力作用加速至一定速度时， 在

4、倾斜轨道上 向斜下方运动要比单纯借助外力加速所需的距离要短。因此，借助倾斜轨道可以利用重力的效应，缩短飞机的滑跑距离。第三章飞机滑跑模型3.1 起飞过程但是飞机的运动情况要比质点复杂的多，除了重力、支持力、摩擦力之外，还有升力和空气阻力，而后两者都是随速度变化的函数。下面对于飞机起飞时滑跑距离的问题作进一步讨论。飞机起飞（或降落）受力如 图3所示图3开始，飞机的阻力和升力都等于 0;随着滑跑速度的增加，阻力和升力也跟 着增大。当滑跑速度略大于飞机的失速速度的 10%寸，飞机抬头，迎角增加，升 力很快超过重力，由于地面摩擦阻力的消失和起落架的收起使飞机阻力大大减 小，飞机净推力增加。飞行速度达到

5、 1.2vs （失速速度）时，飞机转入爬升。按 照FAA规定，起飞安全速度大于等于1.2vs其中Vs2GCL,maxS（G为飞行重力，C-max为最大升力系数，S为机翼面积）则有f N平行地面方向向前合力为F T D （G L）F ma观察此式，加速度a为T（发动机推力）、D （空气阻力）、G （飞机重力）、L（升力）、 的函数。起飞之际，在大部分起飞距离， T为合理常数（特别是对 喷气式飞机），G 也是常数。但L和D两者随速度而改变。因为V2SCL12 D 1v2S(Cd,oCleAR其中AR为飞机的展弦比。对于需做些解释。当飞机接近地面飞行时，其翼尖漩涡的强度，因为与地面的交互影响，多少有

6、些降低。因为这些漩涡，诱导机翼产生下降流w （downwash,接着又生诱导阻力；当飞机接近地面飞行时， 下降流和连带的诱导阻力都降低了， 这一现象称之为地面效应（ground effect ）, 这是因为飞机高于地面接近降落的瞬间，具有上浮倾向。基于空气动力学原理得近似式为（16h/b）21 （16h/b）2其中，h为机翼距地面高度，b为翼展。基于上述，要精确计算在起飞距离速度对时间的变化和最后的离地距离，需对上式进行积分。且应分别由上两式考虑到T和D因速度不同的变化，以及任何 对推力T的速度影响。这些力沿起飞距离的标准变化如图 4所示。其中s正比 于v2。因D和T都正比于动压q 1 v2

7、,故他们在图中看来，近似线性变化； 同时，该图依赖喷气飞机绘出，故推力 T亦为相对的常数。图4匚2U工简单而近似的起飞距离Sl0可求得如下。假定T为常数，也假定阻力和摩擦力之和平均值为D (W L)平均，以产生适当的起飞距离Sl0o于是，作用于起飞飞机的有效力为F有效T D (W L)平均由图4来看，该假定是合理的：故加速力为 F有效oF有效dv m一 dtds vdtsL0 F有效dsvvdvo2v m s 2F有效代人F有效得v2°GsLn L02gT D (G L)平均前面提到过，根据FAAJ1定，为保证起飞时有安全余额(a margin of safety ),离地速度通常高

8、于失速速度的20%故vLo1.2vs1.22GSCL max 1l ,max代人Vlo得sLo1.44G2g SCL,maxT D(GL)平均Richard S. Shell建议将上式中平均力等价为其在0.7 Vl0时的瞬时值，即大约为0.5SL0时的瞬时值(因为上图中s正比于v2)D (G L)平均D (G3.2 降落过程接下来考虑正在降落的飞机。飞机接地后，在地面上跑行距离间的受力与上图完全相同，而其瞬时加速度(此情形为负值)也与起飞时加速度表达式相同。 但是，为了减低达到全停点的距离，假定驾驶员曾经减速，使飞机接地时推力T=0,故降落地面时飞机滑跑运动方程为D (G L)喏飞机降落时标准

9、作用力的变化图如图5所示设接地速度为Vt,可由此计算降落滑跑距离。可依上节方式，计算 Sl的近似表达式。假定 D (G L)平均常数值D (G L) o.7vt。即Slv；G/g2D (G L)0.7vt为保持安全因数，取Vt=1.3vs,得2Sl1.69G2gSCL,maxD(GL)o.7vt从Sl和Sl0的计算可以看出，在水平跑道上，摩擦因数以与起飞和着陆滑跑 距离相关。由开始时的理想化模型可以推论， 在水平跑道上滑跑的飞机的摩擦阻力由在倾斜跑道上滑跑的飞机的摩擦力和重力的一个分力替代，即将上述SL和Sl。表达式中N替换为( tan )之后，表达式即为倾斜跑道的滑跑距离，即_1.44G2s

10、a 飞 'I-g SCL,maxT D (tan )(G L)。A1.69G2s第落rr z " zg SCL,maxD ( tan )(G L)。,经验显示，摩擦因数小的变化，从相对平滑跑道路面的0.02到草地上的0.10。所以，相对于小而言，tan 8的改变要显著的多（tan1.2 0可达到0.02, tan10 0即为0.17）,对于滑跑距离的影响也比跑道情况要显著的多。3.3 理论计算新型跑道的效果以在水平光滑跑道（以=0.02） CJ-1的起飞过程为例，假定Cjmax在起跑离地前为1.0,已知飞机h/b=0.013,根据公式计算可得，起飞滑跑距离约为1060米，而如

11、果在倾角为10°的跑道上起飞的话，根据上述公式计算可得起飞滑跑 距离约为845米，可缩短大约20%而由于起飞过程中推力远大于阻力，所以起 飞中8作用并不是太明显。考虑同样重量的CJ-1的降落滑跑过程，采用襟翼最大升力系数可达2.5,踩刹车摩擦系数可达 0.3。根据公式计算在水平跑道上降落的飞机滑跑距离为 549米，若在倾斜角为10°的跑道降落，则可以将降落距离缩短为 352米，可缩 短接近40%这个效果是非常显著的。在降落时，刹车能量限制必须保证地面减速滑跑的安全。着陆时，大约 50% 的能量被刹车吸收，转化成热能。由于刹车吸收热能有限，如果超过刹车最大热 容量，刹车会烧坏

12、失效，飞机可能冲出跑道。即使未超出其最大热容量，降落过 程对刹车系统和轮胎的损耗也是不可忽视的。而若采用倾斜跑道，则可以将很大 的能量避免通过摩擦消耗，这样可以有效地降低对小的要求， 从而延长刹车系统 和轮胎的寿命。避免吸收过多能量对飞机造成损害的同时，降落过程中的部分能量以重力势能的形式储存了起来。在下次起飞时， 可以再次利用重力的加速作用，从而在缩 短起飞和降落滑跑距离的同时节约了能源，减少了排放对环境的破坏。跑道示意如图6所示图6结论建造此种跑道的过程中，最大的困难是施工难度较大。设计时可以因地制宜,在较缓的山坡上进行施工。特别是在高原地区,由于空气稀薄，产生升力难度较大，因此起飞滑跑距离特别长，而高原地区符合适当倾角的地形比较常见。因此通过倾斜跑道解决滑跑距离过长、对轮胎和刹车系统损害较大、能量不能充分利 用的问题是可行的总结通过参与创意大赛，我收获了很多。从一个想法到理论验证，用到的大多数 知识都是目前从未接触过的，从图书馆、网络浩如烟海的资料中寻找有用的信息， 对我们来讲不仅仅是知识的增长过程，更是自主学习和自主创新能力的提升过 程。另外一点感受很深的是，在新领域的探索道路上，我们依旧要听取前人的经 验，结合自己做的实际情况，认真思考，不可将经验视为永恒的真理，而是要带 着疑问去实践。创意赛中可能很多想法是不切实际的，但很多真正的创