新型飛機跑道方案

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1、北京航空航天大學(xué)第二十一屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品新型傾斜飛機跑道設(shè)計構(gòu)想引言機場跑道是指飛機場內(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。現(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)有飛機跑道概述現(xiàn)在的飛機跑道都是水平鋪設(shè)的，飛機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，飛機跑道的長度難以縮短，能量被大量浪費。表格

2、1列出了部分型號飛機的起飛著陸性能：飛機型號米格-27幻影5F-4E波音747DC-8超63起飛滑跑距離/m700900133831703505著陸滑跑距離/m80083091519421801表格1從表格1中可以看出，戰(zhàn)斗機起飛和著陸滑跑距離較短，在1000m左右，而運輸機則在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場跑道中國昌都邦達機場長度5500米，海拔4300多米。北京航空航天大學(xué)第二十一屆“馮如杯”學(xué)生參賽作

3、品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11265米。有沒有一種方法可以在現(xiàn)有飛機性能的前提下縮短飛機跑道長度呢？第二章理想化模型可以嘗試建立一個理想化的物理模型：在水平地面上運動的質(zhì)量為m的質(zhì)點，速度為v，地面摩擦因數(shù)為μ,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：圖1得出如果,將水平面改為傾角為θ的傾斜面,則如圖2北京航空航天大學(xué)第二十一屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品圖2積分，得即從而有因此北京航空航天大學(xué)第二十一屆“馮如杯”學(xué)生參賽

4、作品所以，初速度相同時在傾斜軌道上運動的質(zhì)點停止所需的距離要短于在水平軌道上運動的質(zhì)點。同理，質(zhì)點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)，縮短飛機的滑跑距離。第三章飛機滑跑模型3.1起飛過程但是飛機的運動情況要比質(zhì)點復(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)。下面對于飛機起飛時滑跑距離的問題作進一步討論。飛機起飛（或降落）受力如圖3所示圖3開始，飛機的阻力和升力都等于0；隨著滑跑速度的增加，阻力和

5、升力也跟著增大。當(dāng)滑跑速度略大于飛機的失速速度的10%時，飛機抬頭，迎角增加，升力很快超過重力，由于地面摩擦阻力的消失和起落架的收起使飛機阻力大大減小，飛機凈推力增加。飛行速度達到（失速速度）時，飛機轉(zhuǎn)入爬升。按照FAA規(guī)定，起飛安全速度大于等于。其中北京航空航天大學(xué)第二十一屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品（G為飛行重力，為最大升力系數(shù)，S為機翼面積）則有平行地面方向向前合力為觀察此式，加速度為T(發(fā)動機推力)、D（空氣阻力）、G（飛機重力）、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），G、也是

6、常數(shù)。但L和D兩者隨速度而改變。因為和其中AR為飛機的展弦比。對于需做些解釋。當(dāng)飛機接近地面飛行時，其翼尖漩渦的強度，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)機翼產(chǎn)生下降流（downwash），接著又生誘導(dǎo)阻力；當(dāng)飛機接近地面飛行時，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)（groundeffect），這是因為飛機高于地面接近降落的瞬間，具有上浮傾向?；诳諝鈩恿W(xué)原理得近似式為其中，h為機翼距地面高度，b為翼展。北京航空航天大學(xué)第二十一屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品基于上述，要精確計算在起飛距離內(nèi)速度對時

7、間的變化和最后的離地距離，需對上式進行積分。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標(biāo)準(zhǔn)變化如圖4所示。其中s正比于。因D和T都正比于動壓，故他們在圖中看來，近似線性變化；同時，該圖依賴噴氣飛機繪出，故推力T亦為相對的常數(shù)。圖4簡單而近似的起飛距離可求得如下。假定T為常數(shù)，也假定阻力和摩擦力之和平均值為，以產(chǎn)生適當(dāng)?shù)钠痫w距離。于是，作用于起飛飛機的有效力為由圖4來看，該假定是合理的：故加速力為。得北京航空航天大學(xué)第二十一屆“馮如杯”學(xué)生參賽作品即代人得前面提到過，根據(jù)FAA規(guī)定

8、，為保證起飛時有安全余額（amarginofsafety）,離地速度通常高于失速速度的20%。故代人得RichardS.Shell建議將上式中平均力等價為其在0.7時的瞬時值，即大約為0.5時的瞬時值（因為上圖中s正比于）3.2降落過程接下來考慮正在降落的飛機。