新型飞机跑道方案.doc

北京航空航天大学第二十一届“冯如杯”学生参赛作品 新型倾斜飞机跑道设计构想 引言 机场跑道是指飞机场内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。现在全球范围内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。 REF _Ref287969426 \h 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5 F-4E 波音747 DC-8超63 起飞滑跑距离/m 700 900 1338 3170 3505 着陆滑跑距离/m 800 830 915 1942 1801 表格 SEQ 表格 \* ARABIC 1 从 REF _Ref287969426 \h 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。世界上最长的民用机场跑道中国昌都邦达机场长度5500米，海拔4300多米。美国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：在水平地面上运动的质量为m的质点，速度为v，地面摩擦因数为μ,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 REF _Ref288411768 \h 图1： 图 图 SEQ 图 \* ARABIC 1 得出 如果,将水平面改为倾角为θ的倾斜面,则如 REF _Ref288411920 \h 图 2 图 图 SEQ 图 \* ARABIC 2 积分，得 即 从而有 因此 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 REF _Ref288415999 \h 图 3所示 图 SEQ 图 \* ARABIC 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%时，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（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。 其中 （G为飞行重力，为最大升力系数，S为机翼面积） 则有 平行地面方向向前合力为 观察此式，加速度为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，在大部分起飞距离内，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 和 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，多少有些降低。因为这些漩涡，诱导机翼产生下降流（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 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内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 REF _Ref288416105 \h 图 4所示。其中s正比于。因D和T都正比于动压，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 SEQ 图 \* ARABIC 4 简单而近似的起飞距离可求得如下。假定T为常数，也假定阻力和摩擦力之和平均值为，以产生适当的起飞距离。于是，作用于起飞飞机的有效力为 由 REF