梁瑞峰

電磁場(chǎng)下軍用飛機(jī)及貨機(jī)短距降落構(gòu)想

梁瑞峰

（陜西科技大學(xué)，陜西 西安 710043）

縮短固定翼飛行著陸后滑跑距離、提高著陸效率一直是相關(guān)科技工作者所追求的目標(biāo)，現(xiàn)有的多種著陸減速技術(shù)由于其效果不明顯或其自身限制，使得目前飛行器著陸后滑跑距離在1 km左右（大型運(yùn)輸機(jī)）?，F(xiàn)構(gòu)想在固定翼飛行器機(jī)翼及跑道安裝設(shè)備，使飛行器在安培力作用下短距著陸（600 m左右），由于該技術(shù)對(duì)飛行器機(jī)身強(qiáng)度要求較高、不追求舒適性，因此主要用于軍用飛機(jī)及部分貨運(yùn)飛機(jī)。

安培力；固定翼飛行器；短距著陸；強(qiáng)磁場(chǎng)

1 現(xiàn)有飛行器降落減速方法

科技工作者一直追求固定翼飛行器的著陸效率，即著陸時(shí)有效加速度足夠大、減速效果突出?，F(xiàn)有常規(guī)降落減速方法如下。

1.1 摩擦力減速

飛行器接觸跑道后與跑道產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力，提供與飛行器運(yùn)動(dòng)方向相反的加速度。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)反推減速

飛行器滑跑時(shí)其發(fā)動(dòng)機(jī)向其運(yùn)動(dòng)方向噴出高速氣流，產(chǎn)生反推力使飛行器快速減速。

1.3 增加空氣阻力減速

降落時(shí)飛行器放下前緣襟翼，增加飛行器的空氣阻力，提供與運(yùn)動(dòng)方向相反的加速度。使用此方法減速的飛行器多為大型固定翼飛行器，如波音、空客等大型客機(jī)及類似于中國(guó)軍用運(yùn)20運(yùn)輸機(jī)及美軍C17運(yùn)輸機(jī)等大型運(yùn)輸機(jī)。飛行器在接觸跑道穩(wěn)定滑跑時(shí)，打開(kāi)位于飛行器尾部的減速傘，極大增加了飛行器的風(fēng)阻面積，達(dá)到減速效果。使用此方法減速的絕大多數(shù)為軍用中小型飛行器，如中國(guó)的殲10殲擊機(jī)、轟六系列轟炸機(jī)等，減速傘規(guī)格視飛行器大小而定。在飛行器即將降落時(shí)升起其上部的減速板，增加空阻面積，提供與飛行器運(yùn)動(dòng)方向相反的加速度。使用此方法的飛行器均為軍用殲擊機(jī)及轟炸機(jī)，如著名的蘇27及其衍生型號(hào)。

1.4 使用阻攔索減速

飛行器在即將著陸時(shí)放下尾勾，勾住位于跑道尾部的四道阻攔索其中一道，利用阻攔索的巨大拉力迅速減速直至靜止。使用此方法的飛行器為航空母艦艦載戰(zhàn)斗機(jī)或預(yù)警機(jī)。

四種減速方法中，大部分方法提供的加速度不足以使飛行器快速靜止，增加空氣阻力減速及使用阻攔索減速雖然效果顯著，但由于其實(shí)施的諸多條件限制、高難度的操作技術(shù)以及復(fù)雜的降落前后準(zhǔn)備事宜，并沒(méi)有在飛行器領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，僅應(yīng)用于部分軍用飛行器。

2 使用安培力縮短降落滑跑距離構(gòu)想具體內(nèi)容

為了改善現(xiàn)有技術(shù)中固定翼飛行器著陸時(shí)滑跑距離長(zhǎng)、效率低等缺陷，本構(gòu)想提供一種在電磁場(chǎng)中使用安培力以使固定翼飛行器短距快速降落的方法。

以大型運(yùn)輸機(jī)及其跑道為例，對(duì)其實(shí)施以下改進(jìn)：①對(duì)飛行器的改進(jìn)。在大型運(yùn)輸機(jī)機(jī)翼內(nèi)鋪設(shè)可在降落時(shí)由飛行員手動(dòng)開(kāi)啟或傳感系統(tǒng)控制開(kāi)啟的可在短時(shí)間內(nèi)提供、承載穩(wěn)定的高電流的大匝數(shù)矩形電路，其中傳感系統(tǒng)的控制方案為在電路中設(shè)置傳感器系統(tǒng)，信號(hào)接收器布置在飛機(jī)機(jī)鼻位置或機(jī)身靠前視野開(kāi)闊位置，接收來(lái)自跑道的光信號(hào)，通過(guò)程序快速（數(shù)毫秒內(nèi)）開(kāi)啟電路提供穩(wěn)定的電流，在飛機(jī)降落停穩(wěn)后再次接收跑道信號(hào)，關(guān)閉電路。②對(duì)機(jī)場(chǎng)跑道的改進(jìn)。在飛機(jī)降落端縱向密集鋪設(shè)多道可產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)、能承載高電流的直導(dǎo)線電路，并在每道直導(dǎo)線電路中加設(shè)傳感器，當(dāng)傳感器識(shí)別飛機(jī)靠近時(shí)開(kāi)啟電路產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，在識(shí)別飛機(jī)離開(kāi)時(shí)迅速關(guān)閉電路；在跑道首道電路中另外加設(shè)傳感器及光電信號(hào)發(fā)射裝置，在傳感器識(shí)別飛機(jī)靠近時(shí)向飛機(jī)發(fā)出光電信號(hào)，使飛機(jī)打開(kāi)其鋪設(shè)在機(jī)翼內(nèi)的矩形電路，在最后一道電路中另外加設(shè)速度傳感器，當(dāng)讀取飛機(jī)速度為0時(shí)向飛機(jī)發(fā)出信號(hào)，使機(jī)載矩形電路停止工作。

上述改進(jìn)計(jì)劃使飛行器在降落時(shí)置身于強(qiáng)磁場(chǎng)中，由飛行器自身承受強(qiáng)大的安培力，提供與飛行器運(yùn)動(dòng)方向相反的加速度，使飛行器迅速減速停穩(wěn)。

3 細(xì)節(jié)圖片及說(shuō)明

使用安培力縮短降落滑跑距離的具體過(guò)程如圖1所示。

由圖1可得，機(jī)載矩形電路前端、后端均在磁場(chǎng)中受到與飛行器運(yùn)動(dòng)方向相反的安培力。

為避免跑道直導(dǎo)線回路產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)造成影響，跑道回路應(yīng)采取深埋等處理措施。跑道上每?jī)傻乐睂?dǎo)線之間的寬度應(yīng)與機(jī)載矩形電路寬度相等，當(dāng)跑道直導(dǎo)線傳感器識(shí)別到機(jī)載電路前緣與下一道直導(dǎo)線重合時(shí)，關(guān)閉上一道直導(dǎo)線電路并開(kāi)啟下一道直導(dǎo)線電路，如此便可得到持續(xù)的與飛行器運(yùn)動(dòng)方向相反的安培力。

4 理想模型

4.1 大型運(yùn)輸機(jī)

以飛機(jī)數(shù)據(jù)較為完善的美軍C17運(yùn)輸機(jī)為例，該機(jī)在滿載狀態(tài)下降落時(shí)，降落速度小于270 km/h，在混凝土跑道上的滑跑距離為1 000 m左右，滿載時(shí)全機(jī)質(zhì)量為210 t（在降落時(shí)航空煤油已經(jīng)所剩無(wú)幾，因此并不是滿油滿載時(shí)的265 t）。由此可以得出，在未使用電磁短距著陸系統(tǒng)進(jìn)行減速時(shí)，從機(jī)身接觸跑道直至飛機(jī)靜止在跑道上至少需27 s，自身可提供的反方向加速度為2.9 m/s2。

結(jié)合能穩(wěn)定提供650 A電流（使用400 mm2的銅芯電纜時(shí)，可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定承載650 A的電流），單側(cè)有效長(zhǎng)度為40 m（C17翼展60 m），匝數(shù)為20匝的機(jī)載矩形電路以及由跑道提供的穩(wěn)定的0.5 T磁場(chǎng)的電磁短距著陸系統(tǒng)時(shí)，可得此時(shí)飛行器所受安培力為520 000 N，此時(shí)由安培力提供的反向加速度為2.5 m/s2，與飛機(jī)自身能夠提供的反向加速度結(jié)合后，能得到約為5.4 m/s2的反向加速度，此時(shí)飛行器自接觸跑道直至滑行減速完畢靜止在跑道上時(shí)共耗時(shí)約14 s，滑跑長(zhǎng)度約為521 m。相較于使用該系統(tǒng)前所用時(shí)間及飛機(jī)滑跑距離，使用該系統(tǒng)后節(jié)省了近50%的時(shí)間，滑跑距離縮短了479 m。

4.2 小型高速飛機(jī)

以著名的蘇27及其衍生型號(hào)為例，該機(jī)最大著陸質(zhì)量為21 000 kg，降落時(shí)速度控制在270 km上下，著陸滑跑距離（打開(kāi)減速傘，機(jī)背減速板彈起）為620 m?？梢酝扑愠鲈摍C(jī)自身可提供的反向加速度為4.5 m/s2，著陸滑跑時(shí)間為16.5 s。由于該機(jī)翼展長(zhǎng)14.7 m，因此可以鋪設(shè)單邊長(zhǎng)度為10 m、匝數(shù)為10匝、能承受穩(wěn)定的500 A電流（使用240 mm2的銅芯電纜）的機(jī)載矩形電路，同樣由跑道提供的穩(wěn)定的0.5 T磁場(chǎng)，在該系統(tǒng)下，飛行器所受安培力為50 000 N，此時(shí)由安培力所提供的反向加速度為2.4 m/s2，結(jié)合蘇27自身原有反向加速度可擁有約為7 m/s2的反向加速度（蘇27設(shè)計(jì)過(guò)載為9 g，反向加速度為88 m/s2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用該系統(tǒng)著陸時(shí)的7 m/s2的反向加速度，因此飛行員健康及機(jī)身強(qiáng)度沒(méi)有問(wèn)題），此時(shí)飛行器自接觸跑道直至在跑道上靜止時(shí)共耗時(shí)11 s，滑跑距離約為401 m。相較于使用該系統(tǒng)前所用時(shí)間及飛機(jī)滑跑距離，使用該系統(tǒng)后，降落時(shí)間縮短60%，滑跑距離縮短了219 m。

5 應(yīng)用構(gòu)想

在新建設(shè)跑道時(shí)應(yīng)用該系統(tǒng)較為方便，可直接在跑道下方建設(shè)永備系統(tǒng)，但是自噴氣式飛機(jī)問(wèn)世以來(lái)，經(jīng)歷了數(shù)十年的建設(shè)，人類已經(jīng)建成兩萬(wàn)余座機(jī)場(chǎng)，假若對(duì)這些機(jī)場(chǎng)進(jìn)行工程改造，則需要付出巨大的經(jīng)濟(jì)、時(shí)間及勞動(dòng)成本。因此，為了更高效、經(jīng)濟(jì)地改造已建成的機(jī)場(chǎng)，借鑒了解放軍舟橋部隊(duì)在戰(zhàn)時(shí)快速搭建可供坦克通過(guò)的臨時(shí)橋梁。

將電磁短距著陸系統(tǒng)模塊化封裝，構(gòu)成類似于解放軍野戰(zhàn)醫(yī)院的單個(gè)艙體，每個(gè)模塊長(zhǎng)10～15 m，可由卡車(chē)或火車(chē)運(yùn)輸。每模塊安裝7～9道直導(dǎo)線電路，首尾直導(dǎo)線電路安裝信號(hào)發(fā)射器。模塊之間可以縱向拼接，拼接后拼接端的信號(hào)發(fā)射器失效。每個(gè)模塊外層覆蓋堅(jiān)實(shí)的金屬或其他高強(qiáng)度材料（埋裝該模塊后不會(huì)造成機(jī)場(chǎng)跑道因強(qiáng)度不夠或下方空虛不足以支撐飛機(jī)降落質(zhì)量的情況），即可單個(gè)填埋至機(jī)場(chǎng)跑道下部進(jìn)行臨時(shí)小加速度短距降落操作，又可整體拼接后埋入機(jī)場(chǎng)跑道下部，建設(shè)“半永備”安培力短距著陸系統(tǒng)。甚至可在野外平坦地區(qū)直接進(jìn)行拼接，組成臨時(shí)野戰(zhàn)短距降落機(jī)場(chǎng)。同時(shí)，該模塊可應(yīng)用于航空母艦。

在航空母艦艦尾預(yù)置模塊安置空間，無(wú)需使用此模塊時(shí)可在預(yù)置空間囤放貨物，在執(zhí)行短距降落任務(wù)時(shí)可將此模塊填裝至預(yù)置空間，供戰(zhàn)機(jī)、預(yù)警機(jī)降落使用。相對(duì)于傳統(tǒng)航空母艦阻攔索著陸，該系統(tǒng)擁有著飛行員操作難度小、無(wú)需將飛機(jī)尾部刻意對(duì)準(zhǔn)某道阻攔索、培訓(xùn)艦載機(jī)飛行員時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)論

該電磁短距降落系統(tǒng)采用在電磁條件下，運(yùn)用安培力協(xié)助飛行器快速降落。在電磁科技高速發(fā)展的今日，電磁科技已指導(dǎo)人們?cè)斐鲭姶排诩半姶艔椛淦鞯纫髲?qiáng)電磁環(huán)境的設(shè)備，因此電磁降落系統(tǒng)完全有可能實(shí)現(xiàn)，并且經(jīng)過(guò)理論驗(yàn)證能夠顯著提高軍用飛機(jī)及貨運(yùn)飛機(jī)（不需要考慮舒適性）的降落效率及滑跑距離，并可以應(yīng)用于新建設(shè)機(jī)場(chǎng)、已建成的機(jī)場(chǎng)，甚至可將各模塊組成臨時(shí)機(jī)場(chǎng)供飛機(jī)起降。未來(lái)電磁短距起降系統(tǒng)有可能與阻攔索系統(tǒng)合作甚至代替阻攔索系統(tǒng)應(yīng)用于艦載機(jī)著陸，要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)計(jì)劃，航空母艦必須為核動(dòng)力航母，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)艦載機(jī)憑借安培力在60余米的跑道上停下來(lái)，必須要求安培力足夠強(qiáng)大和航空母艦提供的電流足夠大。而一般的常規(guī)動(dòng)力艦船難以提供強(qiáng)大的電力系統(tǒng)來(lái)保障艦載機(jī)進(jìn)行超短距降落，只有安裝了核反應(yīng)堆的核航母才有充足的電力來(lái)運(yùn)行超級(jí)電磁短距起降系統(tǒng)，使艦載機(jī)經(jīng)過(guò)50 m左右的滑跑距離即可停穩(wěn)。

雖然該系統(tǒng)目前僅處于構(gòu)想階段，但卻擁有著光明的前景，想要開(kāi)發(fā)它的價(jià)值為人類所用，就需要科技工作者投入大量的精力進(jìn)行實(shí)踐研發(fā)，即使目前看來(lái)該系統(tǒng)投入運(yùn)行還遙遙無(wú)期，但相信該系統(tǒng)真正為人類服務(wù)的日子不會(huì)太遠(yuǎn)，終有一天它會(huì)向大家展示它強(qiáng)大的功能。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.025

2095－6835（2019）16－0064－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕