秋路 房圣友

摘? 要：在引入簡易跑道環(huán)境復(fù)雜性及試飛難度大的基礎(chǔ)上，研究了國外運(yùn)輸機(jī)簡易跑道試飛進(jìn)展，其中C-17、A400M等飛機(jī)簡易跑道試飛經(jīng)驗對運(yùn)輸機(jī)簡易跑道或其他跑道環(huán)境適應(yīng)性驗證有重要的參考價值;建立了運(yùn)輸機(jī)簡易跑道試飛關(guān)鍵技術(shù)，并展望了簡易跑道試飛及使用前景，有助于深化相關(guān)專題研究，為建設(shè)簡易跑道試飛能力及使用能力提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：運(yùn)輸機(jī);簡易跑道;試飛進(jìn)展;C-17運(yùn)輸機(jī);A400M運(yùn)輸機(jī)

中圖分類號：V351.11? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）27-0016-04

Abstract： Introducing the complexity of unpaved or semi-prepared runways and difficulties of the relevant flight tests， this paper studies the development of transporter flight tests on this kind of runways worldwide， among which the engineering practice of C-17 and A400M is quite valuable. Besides， key technologies involved in the domain of flight tests on such runways are built and prospects of these tests and transporter operation are discussed. This research will be beneficial to further studies and the construction of unpaved runway flight test/operating capacities.

Keywords： transport aircrafts; unpaved or semi-prepared runways; flight test development; C-17; A400M

引言

簡易跑道一般指道面沒有經(jīng)過鋪砌，或僅做簡單處理即可起降飛機(jī)的跑道，道面材料可能為草皮、砂礫、土壤、碎石、沙質(zhì)、瀝青、珊瑚、金屬鋪板或上述材料的組合，其中草皮、砂礫、土壤三種道面較為常見。相對永備機(jī)場的跑道，其長度較短、寬度較窄、道面強(qiáng)度較低且道面環(huán)境復(fù)雜。簡易跑道具有服務(wù)周期短，保障任務(wù)與保障機(jī)型相對固定等特點[1]，可承擔(dān)應(yīng)急軍事活動或部隊?wèi)?yīng)急培訓(xùn)等任務(wù)。在簡易跑道上起降是現(xiàn)代運(yùn)輸機(jī)適應(yīng)條件復(fù)雜的跑道環(huán)境，在最短時間內(nèi)迅速完成物資調(diào)配、戰(zhàn)場投送、截?fù)?、轟炸等戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)任務(wù)，并提高機(jī)動靈活性和自身生存力的一項基本性能。

簡易跑道運(yùn)行的特殊性、復(fù)雜性及困難程度決定了飛機(jī)的簡易跑道適應(yīng)性必須通過試飛驗證，而我國在簡易跑道試飛領(lǐng)域的技術(shù)儲備相對薄弱。瞬息萬變的國際形勢要求我們必須加快相關(guān)研究，以提升我國武器裝備的全面作戰(zhàn)能力。

1 國外運(yùn)輸機(jī)簡易跑道試飛進(jìn)展

國外十分重視軍用運(yùn)輸機(jī)在簡易跑道的使用能力。如美國C-17、C-130、C-5A、V-22，歐洲A400M、CN235等，在飛機(jī)設(shè)計階段均考慮了簡易跑道適應(yīng)性，且在試飛過程中對在簡易跑道的使用能力進(jìn)行了充分的試驗驗證。

美軍C-17、C-130飛機(jī)在作戰(zhàn)中已常態(tài)化使用。例如，在阿富汗戰(zhàn)爭中，美軍的C-17飛機(jī)頻繁在簡易跑道上使用，見圖1。

C-17在穩(wěn)定簡易跑道上降落的能力已經(jīng)多次在洛杉磯的聯(lián)合預(yù)備培訓(xùn)中心（JRTC）的“水泥蓋”跑道上進(jìn)行驗證。JRTC有三條穩(wěn)定的跑道，最初是為C-130建造的，隨后升級為符合C-17使用標(biāo)準(zhǔn)。升級10英寸厚度的表層使用了3～4%的普通硅酸鹽水泥。主要的水泥封蓋跑道，已有超過100架C-17完成著陸（跑道超過200次通行），并且裝載M1坦克也無需在跑道、滑行道上進(jìn)行維護(hù)。此外，項目團(tuán)隊亦對該型飛機(jī)在不穩(wěn)定簡易跑道上持續(xù)運(yùn)行的挑戰(zhàn)進(jìn)行了分析研究[2]?；趯υ撔惋w機(jī)的簡易跑道運(yùn)行驗證，美國空軍制定了針對C-17簡易跑道建設(shè)的單獨標(biāo)準(zhǔn)《C-17飛機(jī)應(yīng)急作戰(zhàn)簡易跑道的設(shè)計，維護(hù)和評估標(biāo)準(zhǔn)（1997）》，目的是為涉及C-17應(yīng)急起降和訓(xùn)練的簡易跑道規(guī)劃設(shè)計、建造、評估和維護(hù)的國防組織提供標(biāo)準(zhǔn)和指南[3]。

1965年，道格拉斯飛機(jī)公司對具有多輪多支柱起落架的C-5A驗證機(jī)在半鋪砌跑道運(yùn)行時的地面載荷進(jìn)行了詳細(xì)研究。道面強(qiáng)度指標(biāo)為CBR9，漂浮性要求為在特定簡易跑道修復(fù)之前能夠完成100次著陸、滑行和起飛循環(huán)。建立了起落架著陸、離散不平度滑行、連續(xù)統(tǒng)計不平度滑行、剎車、穩(wěn)定轉(zhuǎn)彎、回轉(zhuǎn)、剎車等工況下的地面載荷設(shè)計準(zhǔn)則及載荷分析方法[4]。

歐洲的C-160、CN235、C-295、C-27J（G222）、A400M等飛機(jī)在試飛過程同樣進(jìn)行了充分的簡易跑道驗證。A400M飛機(jī)在西班牙的Ablitas進(jìn)行了碎石跑道起降試驗，在法國？魪cury進(jìn)行了草地跑道的起降試驗，在英國伍德布里奇完成沙質(zhì)跑道上起降能力試驗，見圖2，截至2016年8月24日，完成了在簡易跑道起降的試飛驗證。

在民用航空領(lǐng)域，國外已有的與簡易跑道相關(guān)的咨詢通告如下：

（1）FAA已經(jīng)對若干運(yùn)輸類飛機(jī)在各種未鋪砌跑道（包括草皮跑道、土跑道和碎石跑道）上運(yùn)行完成合格審定，已發(fā)布的咨詢通告AC25-7C中“第8章 適航性：其他項目 232.未鋪砌跑道上的起飛和著陸”提供了有關(guān)飛機(jī)在未鋪砌跑道上運(yùn)行合格審定的通用指導(dǎo)材料，反映了在這些合格審定過程中所取得的經(jīng)驗和形成的政策[5]。

（2）加拿大運(yùn)輸部發(fā)布的咨詢通告AC NO.300-004

《未鋪砌跑道》中提供了未鋪砌跑道剪切強(qiáng)度的測量與報告方法，以及碎石鋪面跑道及帶狀草皮鋪面著陸區(qū)狀態(tài)檢查評估、維護(hù)及維修的建議措施，可用于飛機(jī)在未鋪砌跑道開展試驗及正常起降時的道面保障[6]。

2 運(yùn)輸機(jī)簡易跑道試飛關(guān)鍵技術(shù)

運(yùn)輸機(jī)簡易跑道試飛技術(shù)研究的重點在于簡易跑道環(huán)境與常規(guī)跑道環(huán)境的差異以及這種差異對飛機(jī)運(yùn)行帶來的影響評估、模擬與驗證，其中關(guān)鍵技術(shù)主要有基于模型的運(yùn)輸機(jī)簡易跑道運(yùn)行安全性評估技術(shù)、基于鋪砌跑道的簡易跑道關(guān)鍵特征模擬技術(shù)、簡易跑道條件下的起落架載荷和擺振穩(wěn)定性分析與驗證技術(shù)、針對簡易跑道環(huán)境影響的運(yùn)輸機(jī)駕駛技術(shù)、飛機(jī)在簡易跑道環(huán)境中運(yùn)行時的防護(hù)技術(shù)以及基于關(guān)鍵指標(biāo)在線辨識的簡易跑道起降性能預(yù)測技術(shù)等。

2.1 基于模型的運(yùn)輸機(jī)簡易跑道運(yùn)行安全性評估技術(shù)

簡易跑道承載能力差、表面不平整、道面摩擦特性復(fù)雜，加之大型運(yùn)輸機(jī)載重大，這些因素使得大型運(yùn)輸機(jī)在簡易跑道起降危險性極高，因此在試飛設(shè)計階段、飛行試驗階段、使用階段均需開展不同角度及程度的安全性評估，以保證飛機(jī)安全性及使用性。

建立飛機(jī)-簡易跑道相互作用的動力學(xué)模型，并開展基于模型的運(yùn)輸機(jī)簡易跑道試驗及運(yùn)行安全評估，可以預(yù)測飛機(jī)及跑道相互作用，評估跑道能否滿足飛機(jī)的起降要求，確定開始試驗的狀態(tài)，能極大減少試驗周期并緩解飛行試驗風(fēng)險。根據(jù)模擬飛機(jī)起降對跑道損壞程度，預(yù)測飛機(jī)簡易跑道運(yùn)行特性，可以為簡易跑道使用提供安全余量預(yù)測并支撐跑道維護(hù)決策。

2.2 基于鋪砌跑道的簡易跑道關(guān)鍵特征模擬技術(shù)

相比于常規(guī)鋪砌跑道，簡易跑道對飛機(jī)性能、起落架載荷及擺振穩(wěn)定性等的影響與多個因素有關(guān)，如道面強(qiáng)度、不平整度、摩擦特性、道面變形等，在簡易跑道試飛時，多個因素同時作用，很難分析單個因素對飛機(jī)運(yùn)行的影響，因此在常規(guī)鋪砌跑道環(huán)境下進(jìn)行簡易跑道關(guān)鍵特征及指標(biāo)模擬并開展驗證，有助于確定每個因素的獨立影響規(guī)律，不僅能夠驗證建模仿真技術(shù)與結(jié)果，且能為簡易跑道試飛設(shè)計及試飛方法研究提供依據(jù)，以便循序漸進(jìn)開展試驗，有效降低真實簡易跑道環(huán)境試飛時的風(fēng)險。例如，設(shè)置凸起的激勵板可以模擬道面不平整度，設(shè)置不平衡胎壓可以一定程度模擬道面變形的影響等。

2.3 簡易跑道條件下的起落架載荷和擺振穩(wěn)定性分析與驗證技術(shù)

飛機(jī)在簡易跑道起飛、著陸時，起落架使用載荷及靜態(tài)、動態(tài)不穩(wěn)定性會明顯增大，降低了起落架系統(tǒng)使用安全性。此外，飛機(jī)在簡易跑道起降時通常會降低輪胎壓力以提高在軟質(zhì)跑道上的通過性，同時道面不平整度會對起落架形成額外激勵，這些因素都增大了起落架擺振的可能性及風(fēng)險性。相比于常規(guī)跑道條件下的起落架載荷與擺振穩(wěn)定性分析與試驗，簡易跑道條件下的影響因素更多且更復(fù)雜，需開展針對性研究。

該項關(guān)鍵技術(shù)通過起落架動力學(xué)建模和簡易跑道表面摩擦特性、道面強(qiáng)度及不平度建模，研究起落架與簡易跑道相互作用載荷的仿真分析技術(shù)，探索起落架載荷和擺振穩(wěn)定性分析與驗證技術(shù)。

2.4 針對簡易跑道環(huán)境影響的運(yùn)輸機(jī)駕駛技術(shù)

運(yùn)輸機(jī)在簡易跑道上滑行、起飛、著陸過程與在常規(guī)跑道上運(yùn)行具有完全不同的受力特點和動態(tài)響應(yīng)，因此飛行員操縱、關(guān)鍵子系統(tǒng)使用方法及限制均有差別。因此，有必要分析簡易跑道環(huán)境對運(yùn)輸機(jī)駕駛技術(shù)的影響。

該項關(guān)鍵技術(shù)通過理論分析、建模仿真、模擬器飛行等方式研究運(yùn)輸機(jī)簡易跑道試飛時不同試驗科目的試飛員操縱方法及程序，并建立簡易跑道環(huán)境中的運(yùn)輸機(jī)駕駛技術(shù)指南，以服務(wù)于簡易跑道試飛及部隊簡易跑道能力建設(shè)。

2.5 飛機(jī)在簡易跑道環(huán)境中運(yùn)行時的防護(hù)技術(shù)

飛機(jī)在簡易跑道環(huán)境中運(yùn)行時，由于道面松散、起落架噴濺等因素，試驗機(jī)極易遭受損傷，可能遭受損傷的子系統(tǒng)/關(guān)鍵部位有動力裝置、環(huán)控系統(tǒng)、機(jī)身下表面、機(jī)腹下部的子系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)，包括機(jī)身及起落架艙門的表面漆層、天線、防撞燈、排氣孔和排水孔、主起落架內(nèi)側(cè)艙門、主起落架輪軸和支柱、主起落架艙結(jié)構(gòu)、主起落架艙內(nèi)的沖壓空氣進(jìn)氣孔、電纜等[7]。在飛行試驗階段，部分測試設(shè)備或傳感器等亦可能遭受損傷。

為了確保飛機(jī)在簡易跑道環(huán)境中能夠安全運(yùn)行或順利完成試飛驗證，同時盡量降低飛機(jī)維護(hù)的人力、物力、財力及時間消耗，研究飛機(jī)在簡易跑道環(huán)境中運(yùn)行時的受損形式并建立防護(hù)要求至關(guān)重要。

該項關(guān)鍵技術(shù)通過理論評估、建模仿真、飛行試驗等途徑開展，確定飛機(jī)在簡易跑道環(huán)境中運(yùn)行/試驗時的易受損部位、受損形式及受損程度，建立防護(hù)要求并給出防護(hù)設(shè)備設(shè)計準(zhǔn)則建議，為防護(hù)設(shè)備的研制與使用提供支撐。

2.6 基于關(guān)鍵指標(biāo)在線辨識的簡易跑道起降性能預(yù)測技術(shù)

相比于常規(guī)鋪砌跑道，簡易跑道條件下影響飛機(jī)起降性能的影響因素較多且隨著飛機(jī)通行而不斷變化，不確定性高且很難通過傳統(tǒng)的理論計算方法進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)先評估，如道面變形對摩擦特性的影響、剎車用量對道面變形的影響等。從降低飛機(jī)在簡易跑道運(yùn)行時沖出跑道的風(fēng)險、減小試飛員或飛行員的心理負(fù)擔(dān)的角度出發(fā)，必須研究適用于簡易跑道條件的起降性能預(yù)測技術(shù)。

該項關(guān)鍵技術(shù)通過分析簡易跑道環(huán)境中影響起降性能的主要因素，研究并建立關(guān)鍵指標(biāo)，同時建立基于道面條件測量與在線辨識的關(guān)鍵指標(biāo)預(yù)測方法與起降性能預(yù)測模型，在起飛、著陸前根據(jù)道面條件測量結(jié)果、滑行過程中的關(guān)鍵指標(biāo)辨識結(jié)果進(jìn)行性能預(yù)測，為飛行員提供起飛滑跑距離、中止起飛距離或著陸滑跑距離預(yù)測結(jié)果[8]。

3 運(yùn)輸機(jī)簡易跑道試飛及使用前景展望

3.1 運(yùn)輸機(jī)簡易跑道試飛展望

簡易跑道試飛的目標(biāo)是驗證飛機(jī)在簡易跑道環(huán)境中的適應(yīng)性，涵蓋飛行性能、起落架載荷與關(guān)鍵子系統(tǒng)適應(yīng)能力等，其試驗道面與試驗內(nèi)容取決于飛機(jī)在特定簡易跑道條件下的使用任務(wù)需求與適應(yīng)性設(shè)計指標(biāo)，屬于面向任務(wù)的試飛設(shè)計與驗證范疇。

以C-17軍用運(yùn)輸機(jī)相對完整的簡易跑道試飛驗證為例，美軍在進(jìn)行C-17飛機(jī)簡易跑道起降能力試驗時，以“全球到達(dá)”為目標(biāo)，先后進(jìn)行了未鋪砌和粗糙跑道的研制測試與評估試驗、第一階段簡易跑道運(yùn)行試驗、AM-2鋁合金跑道試驗、穩(wěn)定的簡易跑道試驗、不穩(wěn)定的簡易跑道試驗等[2]。其中，第一階段簡易跑道運(yùn)行試驗選取了分別位于加利福尼亞州的亨特·利格特堡、威斯康辛州的麥科堡、阿肯色州的查菲堡和位于加利福尼亞州愛德華茲空軍基地內(nèi)羅杰斯干湖床上的兩處著陸區(qū)作為試驗跑道，采集的試驗數(shù)據(jù)能夠代表全球大部分的泥土類型，試驗評估了C-17飛機(jī)在不同泥土類型、不同氣候條件、不同土壤含水量和不同著陸區(qū)劣化狀況下簡易跑道起降試驗飛機(jī)的起飛和著陸性能，測量泥土抗剪能力、確定著陸區(qū)劣化率、表面不平整度、松散度和跑道摩擦系數(shù)等[9-11]。

3.2 運(yùn)輸機(jī)簡易跑道使用前景展望

軍用運(yùn)輸機(jī)簡易跑道使用能力不僅能夠提升部隊作戰(zhàn)能力、快速反應(yīng)能力和戰(zhàn)時快速恢復(fù)能力，且有利于在一定程度實現(xiàn)國防力量分散化，同時能夠極大拓展其使用范圍，如執(zhí)行抗震救災(zāi)、搶險救援、抗疫保障等特殊任務(wù)。

民用運(yùn)輸機(jī)在簡易跑道環(huán)境中的使用能力不僅能夠降低航空公司運(yùn)營航線對鋪砌跑道的依賴，拓展飛機(jī)的覆蓋范圍，亦能從一定程度改善地形復(fù)雜地區(qū)交通不便等現(xiàn)狀。

以美軍簡易跑道使用現(xiàn)狀為例，根據(jù)美國國防規(guī)劃指導(dǎo)要求，美國陸軍和空軍聯(lián)合實施的戰(zhàn)略旅級部隊空運(yùn)具有進(jìn)入非許可環(huán)境的能力。C-17飛機(jī)既具備戰(zhàn)略空運(yùn)空投能力，又具備空中加油能力和優(yōu)秀的起降能力，成為美軍戰(zhàn)略旅級部隊空運(yùn)的首選飛機(jī)。按照美軍構(gòu)想，C-17飛機(jī)具備繞過中間基地將超大型貨物運(yùn)送到全球任何一處的前線小型機(jī)場和簡易跑道的直接運(yùn)輸能力，這也是其超越C-5、C-130、B-747等運(yùn)輸機(jī)的最主要的優(yōu)勢，是實現(xiàn)美國“全球快速反應(yīng)”的軍事戰(zhàn)略的重要手段[2]。

4 結(jié)束語

本文研究的國外運(yùn)輸機(jī)簡易跑道試飛發(fā)展情況對建設(shè)簡易跑道試驗條件、開展簡易跑道試飛、構(gòu)建簡易跑道使用能力等提供了寶貴的參考價值，剖析的簡易跑道試飛關(guān)鍵技術(shù)決定了運(yùn)輸機(jī)能否順利開展簡易跑道適應(yīng)性驗證、能否形成簡易跑道起降能力以及能否安全執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸任務(wù)，研究成果為運(yùn)輸機(jī)簡易跑道試飛提供了有效支撐，同時可為飛機(jī)在簡易跑道環(huán)境中運(yùn)行與維護(hù)、跑道維護(hù)、飛行員訓(xùn)練等提供技術(shù)保障。

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