梁瑞峰

電磁場下軍用飛機(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

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、效率低等缺陷，本構(gòu)想提供一種在電磁場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)開啟或傳感系統(tǒng)控制開啟的可在短時(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)身靠前視野開闊位置，接收來自跑道的光信號(hào)，通過程序快速（數(shù)毫秒內(nèi)）開啟電路提供穩(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、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)開啟電路產(chǎn)生強(qiáng)磁場，在識(shí)別飛機(jī)離開時(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)圖片及說明

使用安培力縮短降落滑跑距離的具體過程如圖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。跑道上每兩道直導(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)，可以長時(shí)間穩(wěn)定承載650 A的電流），單側(cè)有效長度為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14.7 m，因此可以鋪設(shè)單邊長度為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，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)度沒有問題），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)問世以來，經(jīng)歷了數(shù)十年的建設(shè)，人類已經(jīng)建成兩萬余座機(jī)場，假若對(duì)這些機(jī)場進(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，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10～15 m，可由卡車或火車運(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。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、已建成的機(jī)場，甚至可將各模塊組成臨時(shí)機(jī)場供飛機(jī)起降。未來電磁短距起降系統(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，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運(yùn)行超級(jí)電磁短距起降系統(tǒng)，使艦載機(jī)經(jīng)過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)，即使目前看來該系統(tǒng)投入運(yùn)行還遙遙無期，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。

E926

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.025

2095－6835（2019）16－0064－02

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕