徐長群

摘要：近幾年，國內(nèi)外污染跑道上沖出和偏離跑道的事故和事故征候不斷發(fā)生。據(jù)統(tǒng)計(jì)跑道積水是導(dǎo)致事故發(fā)生的重要的因素之一，積水道上的起飛也就成了重點(diǎn)研究科目。通過對FAA、EASA和CAAC規(guī)章等相關(guān)資料的研究，總結(jié)了一套用于估算積水跑道附加阻力的工程方法，通過飛行力學(xué)公式的推導(dǎo)建立了污染跑道起飛動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，針對某機(jī)型進(jìn)行了干跑道和積水跑道的起飛仿真，通過仿真結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn)：相對于干跑道，積水跑道上的決斷速度會(huì)明顯降低，并隨著積水深度的增加而增加；同樣地，積水跑道條件下的起飛距離和中斷起飛距離會(huì)有大幅的增長，并出具體情況下的增長比例。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；污染物；起飛性能；積水跑道；性能仿真

Large civil aircraft takeoff performance simulation and calculation method on standing water runways

Abstract： In recent years incidents and accidents of overrun or deflection from runway on the contaminated surface have occurred several times both at home and abroad. According to statistics， standing water is one of the important factors which causes accidents， therefore taking off on standing water runway become the key research subject. Though the study of the FAA， EASA and CAAC regulations and other relevant information， firstly a set of the engineering method used to estimate water runway added resistance is summarized， then a contaminated runway dynamics calculation model is established after the flight mechanics formula derivation， and take-off simulation is made for the dry and standing water runways. The comparisons between results of simulation calculation indicate that： compared with the dry runways， decision speeds on standing water the runway are reduced significantly， and it increases with the increase of water depth； similarly the takeoff distance and aborted takeoff distance on standing water runway have substantial growth and the growth ratios under specific situations are also shown.

Key words： civil aircraft； contaminant； take performance； standing water runway； performance simulation；

中圖分類號： V216.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1000-6893（2014）XX-XXXX-XX

根據(jù)波音公司對2001年-2010年之間發(fā)生的世界商用噴氣式飛機(jī)災(zāi)難事故結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，在飛行的起飛和進(jìn)近著陸階段發(fā)生的事故占所有事故的一半以上。其中起飛和初始爬升階段發(fā)生的事故占飛機(jī)重大事故的17%，發(fā)生此類事故的一個(gè)重要原因就與濕跑道和污染跑道有關(guān)[1]。

跑道上的污染物會(huì)產(chǎn)生額外的阻力，對起飛性能造成不利的影響，從而增加起飛距離，增加飛機(jī)沖出跑道的事故風(fēng)險(xiǎn)。在飛機(jī)的實(shí)際運(yùn)營中，積水是跑道上最常見的污染物。為了滿足適航性要求，必須建立能夠準(zhǔn)確計(jì)算污染跑道起飛性能的模型，用以指導(dǎo)初始適航設(shè)計(jì)，使飛機(jī)具有在積水跑道條件下的運(yùn)營能力。本文以AMC25.1591中提供的符合性驗(yàn)證方法為基礎(chǔ)[2]，建立了飛機(jī)在積水跑道運(yùn)行的動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行了數(shù)值仿真，分析了不同水深對起飛性能的影響。

1 起飛性能計(jì)算任務(wù)

起飛距離是民用運(yùn)輸機(jī)的重要性能指標(biāo)。因此，為了保障大雨天氣條件下飛機(jī)的運(yùn)營安全，需要對積水道面條件下飛機(jī)的起飛距離進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測。

2 建立動(dòng)力學(xué)模型

與干跑道條件下飛機(jī)的起飛動(dòng)力學(xué)模型相比，積水跑道的計(jì)算模型多了濺水的影響。為了計(jì)算積水跑道上飛機(jī)的起飛性能，首先需要建立積水附加阻力模型，然后再把阻力模型加入起飛受力模型中。

2.1 積水附加阻力模型建立

通過對飛機(jī)濺水形成機(jī)理的研究分析，把積水產(chǎn)生的阻力分成兩個(gè)部分。一是位移阻力；二是沖擊與摩擦阻力。噴流直接沖擊機(jī)體部件，在飛機(jī)軸向產(chǎn)生的沖擊力分量，被稱為沖擊阻力。噴濺到機(jī)體上的水順著機(jī)體表面流動(dòng)而導(dǎo)致的阻力被稱為摩擦阻力[3]。

a.滑水速度

輪胎滑水時(shí)，濺水強(qiáng)度明顯減弱，濺水阻力隨速度的進(jìn)一步增加呈現(xiàn)出明顯降低的特點(diǎn)。

一般認(rèn)為滑水臨界速度取決于輪胎充氣壓力，而實(shí)際上輪胎滑水現(xiàn)象與水的厚度也是有關(guān)系的。[4]。

民用飛機(jī)為了預(yù)測在積水道面上的滑水效應(yīng)，可以用滑水速度經(jīng)驗(yàn)公式[5]：

（1）

其中，VP為以節(jié)表示的地速，P是輪胎壓力，單位是lb/in2。

另外，滑水速度不隨污染物的密度變化[7]。

b.位移阻力

根據(jù)起落架的結(jié)構(gòu)形式，位移阻力的評估分為單輪和多輪兩種情況。單輪情況輪胎上的阻力由下式給出：

（3）

其中，ρ表示積水的密度，St表示積水上輪胎前表面的面積，VG為地面速度。

當(dāng)飛機(jī)地面速度大于滑水速度時(shí)，則要考慮滑水的影響[8]。

c.噴濺阻力

為了估計(jì)噴濺阻力，需要確定輪胎濺水的輪廓以便與飛機(jī)的幾何形狀進(jìn)行比較。此外，向前噴濺的弓形頭部噴流也可能造成發(fā)動(dòng)機(jī)推力損失[9]。

噴流的水平方向角度[10]和垂直方向的角度[11]可以通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算獲得，該方法也可在沒有試驗(yàn)證明的情況下使用。

沖擊阻力是飛機(jī)表面直接遭受水柱的沖擊而產(chǎn)生的，當(dāng)有大量水柱垂直或者傾斜地撞擊在飛機(jī)的部分結(jié)構(gòu)，這個(gè)力是不能忽略的[12]。

關(guān)于表面摩擦導(dǎo)致的阻力采用單個(gè)計(jì)算出的較大阻力值而不是將他們簡單的疊加起來[13]。

摩擦阻力可由下式計(jì)算：

（5）

其中，CFm為摩擦系數(shù)，q為動(dòng)壓，Swetm浸潤面積。

2.2起飛受力模型建立

a.受力分析

假定飛機(jī)上坡加速滑跑，坡度為ψ，發(fā)動(dòng)機(jī)安裝角ψF與飛機(jī)迎角α 均比較小，可略去不計(jì)。飛機(jī)質(zhì)量為W/g，作用于飛機(jī)上的力有垂直于地面的升力L，與運(yùn)動(dòng)方向相反的氣動(dòng)阻力Da、積水附加阻力Dc及地面摩擦阻力Ff，垂直于地平線的飛機(jī)重力W，與飛機(jī)運(yùn)動(dòng)方向一致的發(fā)動(dòng)機(jī)推力FN，于是有如下方程：

（8）

摩擦阻力Ff取決于作用地面的正壓力（W-L）以及地面對飛機(jī)的摩擦系數(shù)μ，積水沖擊阻力在垂直方向上的分量可以忽略。

（9）

摩擦系數(shù)在加速滑跑時(shí)為滾動(dòng)摩擦系數(shù)μR，減速滑跑時(shí)為剎車摩擦系數(shù)μB。

升力L和氣動(dòng)阻力Da可以表示為：

（10）

（11）

綜合上式可推導(dǎo)出飛機(jī)在起飛滑跑時(shí)的加速度α：

（12）

發(fā)動(dòng)機(jī)推力、地面摩擦力、氣動(dòng)阻力、積水附加阻力以及升力都與飛機(jī)的滑跑速度有關(guān)。

b.起飛滑跑距離SG

飛機(jī)由松開剎車V=0起，加速到VLOF止，經(jīng)過的距離稱為起飛滑跑距離。由于整個(gè)滑跑過程是變速運(yùn)動(dòng)，可用積分表達(dá)式：

（13）

結(jié)合ddt=adVG推導(dǎo)出：

（14）

3 算例與分析

選用國外某民用飛機(jī)作為算例機(jī)型，對本文的方法進(jìn)行驗(yàn)證。算例飛機(jī)前起落架和主起落架均為雙輪胎結(jié)構(gòu)。假設(shè)機(jī)場長高為海平面高度，飛機(jī)跑道無坡度道面上的積水均勻分布的且厚度一致。

圖1～2為積水跑道和干跑道起飛性能的對比，主要比較了起飛決斷速度和起飛距離。從圖1可以看出，飛機(jī)的決斷速度隨著重量的增加而增加；相對干跑道而言，一般是跑道的起飛決斷速度會(huì)有不同程度的降低；同時(shí)，隨著積水厚度的增加，附加阻力的增大，積水跑道下的起飛決斷速度也會(huì)不斷增加，在大重量下甚至?xí)^干跑道時(shí)的決斷速度。圖2顯示，相對于干跑道道面條件，飛機(jī)的起飛距離在積水道面下會(huì)有明顯的增加。

4 結(jié)論

1）飛機(jī)的起飛性能是影響飛機(jī)在積水跑道天氣下運(yùn)營的關(guān)鍵因素，開展積水跑道下起飛性能的計(jì)算仿真對于飛機(jī)的設(shè)計(jì)評估和運(yùn)營保障均可提供一些參考數(shù)據(jù)，以提高我國民用飛機(jī)的使用安全水平。

2）通過對主要的起飛性能指標(biāo)進(jìn)行仿真計(jì)算，對比分析不同水深和重量條件下，干跑道和積水跑道的起飛性能數(shù)據(jù)曲線，不僅可以定性地評估積水對飛機(jī)起飛性能的影響，也可為飛機(jī)在積水跑道上的運(yùn)營提供數(shù)據(jù)支持。

3）飛機(jī)的決斷速度隨著重量的增加而增加；相對干跑道而言，一般是跑道的起飛決斷速度會(huì)有不同程度的降低；同時(shí)，隨著積水厚度的增加，附加阻力的增大，積水跑道下的起飛決斷速度也會(huì)不斷增加，在大重量下甚至?xí)^干跑道時(shí)的決斷速度。

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