電磁場下軍用飛機及貨機短距降落構想

梁瑞峰

電磁場下軍用飛機及貨機短距降落構想

梁瑞峰

（陜西科技大學，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科技工作者所追求的目標，現(xiàn)有的多種著陸減速技術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（大型運輸機）。現(xiàn)構想在固定翼飛行器機翼及跑道安裝設備，使飛行器在安培力作用下短距著陸（600 m左右），由于該技術對飛行器機身強度要求較高、不追求舒適性，因此主要用于軍用飛機及部分貨運飛機。

安培力；固定翼飛行器；短距著陸；強磁場

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，即著陸時有效加速度足夠大、減速效果突出。現(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)生滑動摩擦力，提供與飛行器運動方向相反的加速度。

1.2 發(fā)動機反推減速

飛行器滑跑時其發(fā)動機向其運動方向噴出高速氣流，產(chǎn)生反推力使飛行器快速減速。

1.3 增加空氣阻力減速

降落時飛行器放下前緣襟翼，增加飛行器的空氣阻力，提供與運動方向相反的加速度。使用此方法減速的飛行器多為大型固定翼飛行器，如波音、空客等大型客機及類似于中國軍用運20運輸機及美軍C17運輸機等大型運輸機。飛行器在接觸跑道穩(wěn)定滑跑時，打開位于飛行器尾部的減速傘，極大增加了飛行器的風阻面積，達到減速效果。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、轟六系列轟炸機等，減速傘規(guī)格視飛行器大小而定。在飛行器即將降落時升起其上部的減速板，增加空阻面積，提供與飛行器運動方向相反的加速度。使用此方法的飛行器均為軍用殲擊機及轟炸機，如著名的蘇27及其衍生型號。

1.4 使用阻攔索減速

飛行器在即將著陸時放下尾勾，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)斗機或預警機。

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，但由于其實施的諸多條件限制、高難度的操作技術以及復雜的降落前后準備事宜，并沒有在飛行器領域廣泛應用，僅應用于部分軍用飛行器。

2 使用安培力縮短降落滑跑距離構想具體內容

為了改善現(xiàn)有技術中固定翼飛行器著陸時滑跑距離長、效率低等缺陷，本構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。

以大型運輸機及其跑道為例，對其實施以下改進：①對飛行器的改進。在大型運輸機機翼內鋪設可在降落時由飛行員手動開啟或傳感系統(tǒng)控制開啟的可在短時間內提供、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置傳感器系統(tǒng)，信號接收器布置在飛機機鼻位置或機身靠前視野開闊位置，接收來自跑道的光信號，通過程序快速（數(shù)毫秒內）開啟電路提供穩(wěn)定的電流，在飛機降落停穩(wěn)后再次接收跑道信號，關閉電路。②對機場跑道的改進。在飛機降落端縱向密集鋪設多道可產(chǎn)生強磁場、能承載高電流的直導線電路，并在每道直導線電路中加設傳感器，當傳感器識別飛機靠近時開啟電路產(chǎn)生強磁場，在識別飛機離開時迅速關閉電路；在跑道首道電路中另外加設傳感器及光電信號發(fā)射裝置，在傳感器識別飛機靠近時向飛機發(fā)出光電信號，使飛機打開其鋪設在機翼內的矩形電路，在最后一道電路中另外加設速度傳感器，當讀取飛機速度為0時向飛機發(fā)出信號，使機載矩形電路停止工作。

上述改進計劃使飛行器在降落時置身于強磁場中，由飛行器自身承受強大的安培力，提供與飛行器運動方向相反的加速度，使飛行器迅速減速停穩(wěn)。

3 細節(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，機載矩形電路前端、后端均在磁場中受到與飛行器運動方向相反的安培力。

為避免跑道直導線回路產(chǎn)生的電磁場對系統(tǒng)造成影響，跑道回路應采取深埋等處理措施。跑道上每兩道直導線之間的寬度應與機載矩形電路寬度相等，當跑道直導線傳感器識別到機載電路前緣與下一道直導線重合時，關閉上一道直導線電路并開啟下一道直導線電路，如此便可得到持續(xù)的與飛行器運動方向相反的安培力。

4 理想模型

4.1 大型運輸機

以飛機數(shù)據(jù)較為完善的美軍C17運輸機為例，該機在滿載狀態(tài)下降落時，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，滿載時全機質量為210 t（在降落時航空煤油已經(jīng)所剩無幾，因此并不是滿油滿載時的265 t）。由此可以得出，在未使用電磁短距著陸系統(tǒng)進行減速時，從機身接觸跑道直至飛機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。

結合能穩(wěn)定提供650 A電流（使用400 mm2的銅芯電纜時，可以長時間穩(wěn)定承載650 A的電流），單側有效長度為40 m（C17翼展60 m），匝數(shù)為20匝的機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，可得此時飛行器所受安培力為520 000 N，此時由安培力提供的反向加速度為2.5 m/s2，與飛機自身能夠提供的反向加速度結合后，能得到約為5.4 m/s2的反向加速度，此時飛行器自接觸跑道直至滑行減速完畢靜止在跑道上時共耗時約14 s，滑跑長度約為521 m。相較于使用該系統(tǒng)前所用時間及飛機滑跑距離，使用該系統(tǒng)后節(jié)省了近50%的時間，滑跑距離縮短了479 m。

4.2 小型高速飛機

以著名的蘇27及其衍生型號為例，該機最大著陸質量為21 000 kg，降落時速度控制在270 km上下，著陸滑跑距離（打開減速傘，機背減速板彈起）為620 m。可以推算出該機自身可提供的反向加速度為4.5 m/s2，著陸滑跑時間為16.5 s。由于該機翼展長14.7 m，因此可以鋪設單邊長度為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，此時由安培力所提供的反向加速度為2.4 m/s2，結合蘇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設計過載為9 g，反向加速度為88 m/s2，遠遠大于使用該系統(tǒng)著陸時的7 m/s2的反向加速度，因此飛行員健康及機身強度沒有問題），此時飛行器自接觸跑道直至在跑道上靜止時共耗時11 s，滑跑距離約為401 m。相較于使用該系統(tǒng)前所用時間及飛機滑跑距離，使用該系統(tǒng)后，降落時間縮短60%，滑跑距離縮短了219 m。

5 應用構想

在新建設跑道時應用該系統(tǒng)較為方便，可直接在跑道下方建設永備系統(tǒng)，但是自噴氣式飛機問世以來，經(jīng)歷了數(shù)十年的建設，人類已經(jīng)建成兩萬余座機場，假若對這些機場進行工程改造，則需要付出巨大的經(jīng)濟、時間及勞動成本。因此，為了更高效、經(jīng)濟地改造已建成的機場，借鑒了解放軍舟橋部隊在戰(zhàn)時快速搭建可供坦克通過的臨時橋梁。

將電磁短距著陸系統(tǒng)模塊化封裝，構成類似于解放軍野戰(zhàn)醫(yī)院的單個艙體，每個模塊長10～15 m，可由卡車或火車運輸。每模塊安裝7～9道直導線電路，首尾直導線電路安裝信號發(fā)射器。模塊之間可以縱向拼接，拼接后拼接端的信號發(fā)射器失效。每個模塊外層覆蓋堅實的金屬或其他高強度材料（埋裝該模塊后不會造成機場跑道因強度不夠或下方空虛不足以支撐飛機降落質量的情況），即可單個填埋至機場跑道下部進行臨時小加速度短距降落操作，又可整體拼接后埋入機場跑道下部，建設“半永備”安培力短距著陸系統(tǒng)。甚至可在野外平坦地區(qū)直接進行拼接，組成臨時野戰(zhàn)短距降落機場。同時，該模塊可應用于航空母艦。

在航空母艦艦尾預置模塊安置空間，無需使用此模塊時可在預置空間囤放貨物，在執(zhí)行短距降落任務時可將此模塊填裝至預置空間，供戰(zhàn)機、預警機降落使用。相對于傳統(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、無需將飛機尾部刻意對準某道阻攔索、培訓艦載機飛行員時間短等優(yōu)點。

6 結論

該電磁短距降落系統(tǒng)采用在電磁條件下，運用安培力協(xié)助飛行器快速降落。在電磁科技高速發(fā)展的今日，電磁科技已指導人們造出電磁炮及電磁彈射器等要求強電磁環(huán)境的設備，因此電磁降落系統(tǒng)完全有可能實現(xiàn)，并且經(jīng)過理論驗證能夠顯著提高軍用飛機及貨運飛機（不需要考慮舒適性）的降落效率及滑跑距離，并可以應用于新建設機場、已建成的機場，甚至可將各模塊組成臨時機場供飛機起降。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)應用于艦載機著陸，要想實現(xiàn)這個計劃，航空母艦必須為核動力航母，因為要實現(xiàn)艦載機憑借安培力在60余米的跑道上停下來，必須要求安培力足夠強大和航空母艦提供的電流足夠大。而一般的常規(guī)動力艦船難以提供強大的電力系統(tǒng)來保障艦載機進行超短距降落，只有安裝了核反應堆的核航母才有充足的電力來運行超級電磁短距起降系統(tǒng)，使艦載機經(jīng)過50 m左右的滑跑距離即可停穩(wěn)。

雖然該系統(tǒng)目前僅處于構想階段，但卻擁有著光明的前景，想要開發(fā)它的價值為人類所用，就需要科技工作者投入大量的精力進行實踐研發(fā)，即使目前看來該系統(tǒng)投入運行還遙遙無期，但相信該系統(tǒng)真正為人類服務的日子不會太遠，終有一天它會向大家展示它強大的功能。

E926

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.16.025

2095－6835（2019）16－0064－02

〔編輯：嚴麗琴〕