电磁条件下使用安培力的短距离起降系统构想-985毕业论文网

摘    要：　缩短固定翼飞行着陆后滑跑距离、提高着陆效率一直是相关科技工作者所追求的目标，现有的多种着陆减速技术由于其效果不明显或其自身限制，使得目前飞行器着陆后滑跑距离在1 km左右（大型运输机）。现构想在固定翼飞行器机翼及跑道安装设备，使飞行器在安培力作用下短距着陆（600 m左右），由于该技术对飞行器机身强度要求较高、不追求舒适性，因此主要用于军用飞机及部分货运飞机。

　　关键词：　安培力; 固定翼飞行器; 短距着陆; 强磁场;

　　1、 现有飞行器降落减速方法

　　科技工作者一直追求固定翼飞行器的着陆效率，即着陆时有效加速度足够大、减速效果突出。现有常规降落减速方法如下。

　　1.1、 摩擦力减速

　　飞行器接触跑道后与跑道产生滑动摩擦力，提供与飞行器运动方向相反的加速度。

　　1.2、 发动机反推减速

　　飞行器滑跑时其发动机向其运动方向喷出高速气流，产生反推力使飞行器快速减速。

　　1.3、 增加空气阻力减速

　　降落时飞行器放下前缘襟翼，增加飞行器的空气阻力，提供与运动方向相反的加速度。使用此方法减速的飞行器多为大型固定翼飞行器，如波音、空客等大型客机及类似于中国军用运20运输机及美军C17运输机等大型运输机。飞行器在接触跑道稳定滑跑时，打开位于飞行器尾部的减速伞，极大增加了飞行器的风阻面积，达到减速效果。使用此方法减速的绝大多数为军用中小型飞行器，如中国的歼10歼击机、轰六系列轰炸机等，减速伞规格视飞行器大小而定。在飞行器即将降落时升起其上部的减速板，增加空阻面积，提供与飞行器运动方向相反的加速度。使用此方法的飞行器均为军用歼击机及轰炸机，如着名的苏27及其衍生型号。

　　1.4 、使用阻拦索减速

　　飞行器在即将着陆时放下尾勾，勾住位于跑道尾部的四道阻拦索其中一道，利用阻拦索的巨大拉力迅速减速直至静止。使用此方法的飞行器为航空母舰舰载战斗机或预警机。

　　四种减速方法中，大部分方法提供的加速度不足以使飞行器快速静止，增加空气阻力减速及使用阻拦索减速虽然效果显着，但由于其实施的诸多条件限制、高难度的操作技术以及复杂的降落前后准备事宜，并没有在飞行器领域广泛应用，仅应用于部分军用飞行器。

　　2、 使用安培力缩短降落滑跑距离构想具体内容

　　为了改善现有技术中固定翼飞行器着陆时滑跑距离长、效率低等缺陷，本构想提供一种在电磁场中使用安培力以使固定翼飞行器短距快速降落的方法。

　　以大型运输机及其跑道为例，对其实施以下改进： (1) 对飞行器的改进。在大型运输机机翼内铺设可在降落时由飞行员手动开启或传感系统控制开启的可在短时间内提供、承载稳定的高电流的大匝数矩形电路，其中传感系统的控制方案为在电路中设置传感器系统，信号接收器布置在飞机机鼻位置或机身靠前视野开阔位置，接收来自跑道的光信号，通过程序快速（数毫秒内）开启电路提供稳定的电流，在飞机降落停稳后再次接收跑道信号，关闭电路。 (2) 对机场跑道的改进。在飞机降落端纵向密集铺设多道可产生强磁场、能承载高电流的直导线电路，并在每道直导线电路中加设传感器，当传感器识别飞机靠近时开启电路产生强磁场，在识别飞机离开时迅速关闭电路；在跑道首道电路中另外加设传感器及光电信号发射装置，在传感器识别飞机靠近时向飞机发出光电信号，使飞机打开其铺设在机翼内的矩形电路，在最后一道电路中另外加设速度传感器，当读取飞机速度为0时向飞机发出信号，使机载矩形电路停止工作。

　　上述改进计划使飞行器在降落时置身于强磁场中，由飞行器自身承受强大的安培力，提供与飞行器运动方向相反的加速度，使飞行器迅速减速停稳。

　　3 、细节图片及说明

　　使用安培力缩短降落滑跑距离的具体过程如图1所示。

　　由图1可得，机载矩形电路前端、后端均在磁场中受到与飞行器运动方向相反的安培力。

　　为避免跑道直导线回路产生的电磁场对系统造成影响，跑道回路应采取深埋等处理措施。跑道上每两道直导线之间的宽度应与机载矩形电路宽度相等，当跑道直导线传感器识别到机载电路前缘与下一道直导线重合时，关闭上一道直导线电路并开启下一道直导线电路，如此便可得到持续的与飞行器运动方向相反的安培力。

　　图1 使用安培力缩短降落滑跑距离的具体过程

　　4、 理想模型

　　4.1、 大型运输机

　　以飞机数据较为完善的美军C17运输机为例，该机在满载状态下降落时，降落速度小于270 km/h，在混凝土跑道上的滑跑距离为1 000 m左右，满载时全机质量为210 t（在降落时航空煤油已经所剩无几，因此并不是满油满载时的265 t）。由此可以得出，在未使用电磁短距着陆系统进行减速时，从机身接触跑道直至飞机静止在跑道上至少需27 s，自身可提供的反方向加速度为2.9 m/s2。

　　结合能稳定提供650 A电流（使用400 mm2的铜芯电缆时，可以长时间稳定承载650 A的电流），单侧有效长度为40 m (C17翼展60 m），匝数为20匝的机载矩形电路以及由跑道提供的稳定的0.5 T磁场的电磁短距着陆系统时，可得此时飞行器所受安培力为520 000 N，此时由安培力提供的反向加速度为2.5 m/s2，与飞机自身能够提供的反向加速度结合后，能得到约为5.4 m/s2的反向加速度，此时飞行器自接触跑道直至滑行减速完毕静止在跑道上时共耗时约14 s，滑跑长度约为521 m。相较于使用该系统前所用时间及飞机滑跑距离，使用该系统后节省了近50%的时间，滑跑距离缩短了479 m。

　　4.2、 小型高速飞机

　　以着名的苏27及其衍生型号为例，该机最大着陆质量为21 000 kg，降落时速度控制在270 km上下，着陆滑跑距离（打开减速伞，机背减速板弹起）为620 m。可以推算出该机自身可提供的反向加速度为4.5 m/s2，着陆滑跑时间为16.5 s。由于该机翼展长14.7 m，因此可以铺设单边长度为10 m、匝数为10匝、能承受稳定的500 A电流（使用240 mm2的铜芯电缆）的机载矩形电路，同样由跑道提供的稳定的0.5 T磁场，在该系统下，飞行器所受安培力为50 000 N，此时由安培力所提供的反向加速度为2.4 m/s2，结合苏27自身原有反向加速度可拥有约为7 m/s2的反向加速度（苏27设计过载为9 g，反向加速度为88 m/s2，远远大于使用该系统着陆时的7 m/s2的反向加速度，因此飞行员健康及机身强度没有问题），此时飞行器自接触跑道直至在跑道上静止时共耗时11 s，滑跑距离约为401 m。相较于使用该系统前所用时间及飞机滑跑距离，使用该系统后，降落时间缩短60%，滑跑距离缩短了219 m。

　　5 、应用构想

　　在新建设跑道时应用该系统较为方便，可直接在跑道下方建设永备系统，但是自喷气式飞机问世以来，经历了数十年的建设，人类已经建成两万余座机场，假若对这些机场进行工程改造，则需要付出巨大的经济、时间及劳动成本。因此，为了更高效、经济地改造已建成的机场，借鉴了解放军舟桥部队在战时快速搭建可供坦克通过的临时桥梁。

　　将电磁短距着陆系统模块化封装，构成类似于解放军野战医院的单个舱体，每个模块长10～15 m，可由卡车或火车运输。每模块安装7～9道直导线电路，首尾直导线电路安装信号发射器。模块之间可以纵向拼接，拼接后拼接端的信号发射器失效。每个模块外层覆盖坚实的金属或其他高强度材料（埋装该模块后不会造成机场跑道因强度不够或下方空虚不足以支撑飞机降落质量的情况），即可单个填埋至机场跑道下部进行临时小加速度短距降落操作，又可整体拼接后埋入机场跑道下部，建设“半永备”安培力短距着陆系统。甚至可在野外平坦地区直接进行拼接，组成临时野战短距降落机场。同时，该模块可应用于航空母舰。

　　在航空母舰舰尾预置模块安置空间，无需使用此模块时可在预置空间囤放货物，在执行短距降落任务时可将此模块填装至预置空间，供战机、预警机降落使用。相对于传统航空母舰阻拦索着陆，该系统拥有着飞行员操作难度小、无需将飞机尾部刻意对准某道阻拦索、培训舰载机飞行员时间短等优点。

　　6、 结论

　　该电磁短距降落系统采用在电磁条件下，运用安培力协助飞行器快速降落。在电磁科技高速发展的今日，电磁科技已指导人们造出电磁炮及电磁弹射器等要求强电磁环境的设备，因此电磁降落系统完全有可能实现，并且经过理论验证能够显着提高军用飞机及货运飞机（不需要考虑舒适性）的降落效率及滑跑距离，并可以应用于新建设机场、已建成的机场，甚至可将各模块组成临时机场供飞机起降。未来电磁短距起降系统有可能与阻拦索系统合作甚至代替阻拦索系统应用于舰载机着陆，要想实现这个计划，航空母舰必须为核动力航母，因为要实现舰载机凭借安培力在60余米的跑道上停下来，必须要求安培力足够强大和航空母舰提供的电流足够大。而一般的常规动力舰船难以提供强大的电力系统来保障舰载机进行超短距降落，只有安装了核反应堆的核航母才有充足的电力来运行超级电磁短距起降系统，使舰载机经过50 m左右的滑跑距离即可停稳。

　　虽然该系统目前仅处于构想阶段，但却拥有着光明的前景，想要开发它的价值为人类所用，就需要科技工作者投入大量的精力进行实践研发，即使目前看来该系统投入运行还遥遥无期，但相信该系统真正为人类服务的日子不会太远，终有一天它会向大家展示它强大的功能。