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    环形跑道大胆脑洞令人心动

    来源:六七范文网 时间:2022-08-28 14:05:04 点击:

      荷兰研究员亨克·赫赛连克提出的现代环形跑道设计构想,得到了欧盟第七框架委员会的资助,荷兰国家航空航天实验室的团队,与德国、法国、西班牙及波兰等国的相关机构合作,利用现代航空理论与技术,对该构想进行了详细的科学分析。

    环形跑道怎么飞?


      把飞机跑道修成环形,赫赛连克并不是第一个提出这个听上去异想天开设计的人。早在1919年,美国《大众科学》杂志中就有文提议,在摩天大楼密集的城市上空,以楼顶为支点,修建环形跑道,方便商务人士驾驶自己的私人飞机直达办公室。在1960年1月10日的亚瑟-拉德博的周日漫画上,一副题为“环形跑道”的漫画出现在“CLOSER THAN WETHINK”(比我们想象的更近)系列中,不过与自主起降的理念不同,漫画中表现的飞行器在跑道上被“火箭动力单元”牵引,靠离心力“甩”出去。1965年,美国海军也进行了环形跑道的探索,不过他们并没有使用漫画中的“火箭动力单元”。
      这个第一条进行了飞机起降实测的环形跑道,道面倾角15°,以抵消飞机滑跑时的离心力。《纽约时报》曾报道,美国海军在环形跑道上进行了试验,发现起降“非常容易”。但由于当时航空业发展已经初具规模,直线跑道成为主流,因此美海军的环形跑道最终只是停留在了试验阶段。
      一百年过去了,当年的种种设想最终没有变成现实,但是对环形机场设计的尝试与探索,却没有因为时间的流逝而消亡。时至今天,环形跑道概念又一次被提出,提起人赫赛连克最初的目的是为了解决飞机在侧风环境下起降困难的问题,飞机在环形跑道起降可以不受风向的制约,如果有一条足够长的大圆跑道,通过高效的管理手段,甚至可以提高机场运行效率。理想都是美好的,但現实中,赫赛连克和整个团队是怎么做的,环形跑道概念又会遇到多少困难呢?

    飞行员和空管的讨论


      进行现代环形跑道设计,至少需要对以下3方面进行详细深入的研究:飞机起降可行性与安全性、基建规划、空中交通管制方案。事实上,赫赛连克团队也是从这3个方面开始评估的。其中,起降性能和规划都是地面工作,其所面临的第一个问题是,环形跑道建多大?
      赫赛连克团队给出的数据是:直径3.5千米,跑道全长10千米。这是一个经过计算分析后的数值,3.5千米的半径配合10°的道面倾角,客机起飞时300千米/小时的时速,会将乘客所能感受到的离心力降到一个相对舒适的程度。周长接近3条传统跑道的长度,但具备在任何一点着陆的能力,以及拥有4条跑道的运行容量。
      这的确是个不错的设计。在跑道基建方面,修建什么样的跑道已经不是问题,环形跑道真正的问题在于,飞行员怎么飞?空管如何指挥?
      我们与几位军民航飞行员进行了讨论,对于环形跑道,飞行员们的第一反应是,降落阶段,会显著增加操纵难度。在传统直线跑道降落,飞行员首先需要做到的是一对正跑道,即便是在侧风条件下,通过航面补偿,可以很大程度抵消侧风对航向的影响。但要对正环形跑道降落,飞机接地范围从一条线变成了一个点——下滑航线与圆周跑道的切点。即使使用弧形下滑线,即战斗机飞行员常用的短五边大坡度降落方式,在直线跑道降落后,飞行员不需要做太多修正滑行姿态的操纵,但在环形跑道上,飞行员还需要在滑行时对飞机姿态进行修正,特别是在不同速度时,离心力不同,操纵量大小不同,各种机型也会有不同的操纵差异。
      如果在环形跑道起降时产生不同离心力的作用,可以通过优化跑道宽度、坡度和曲率等设计手段解决,那么,下面这个问题恐怕就有点棘手了。
      倾斜的机身会降低机翼有效升力。这是一个客观存在的问题,而且飞机个头越大,在倾斜跑道起飞时损失的升力就越大。升力损失后,问题接踵而至,如果说增加正常情况下跑道的使用长度还不是个大问题,那么对于747、A380这类重型机需要复飞时,因升力损失导致所需跑道长度大幅度延长,如何在离心力上下突变的环境中操纵飞机,如何管理跑道,这些都是百年航空发展中未曾考虑过的问题。
      赫赛连克关于环形跑道构想的提出是为了改善侧风环境下飞行员的操纵难度,但几位参与讨论的飞行员们提出了一个与初衷相悖的疑问:现代飞行器的性能,在小于15节(1节=1.852千米/小时)正侧风条件下降落基本没有难度,若遇二三十节的强风天,即便是平行风向降落,也具有一定难度,强风天里存在风切变的风险。若在强风环境中在带坡度的环形跑道降落,可能还不如在直线跑道上,一心应对侧风带来的困难,可能要比一边应对强风,一边带坡度降落安全的多。
      飞行员们还提出了一个问题——单发失效的处置。在环形跑道起飞时,垂直尾翼很大程度上是在纠正飞机的偏航,使机头始终沿着跑道中线,如果此时外环一侧的发动机失效,推力失衡,垂尾很难再应对“离心力+不平衡推力”带来的偏航效应,飞机瞬间甩出跑道的可能性很大。同样,环形跑道也会对单发失效飞机的降落带来比较大的操纵风险,其原理与起飞时单发失效类似。解决或缓解这个问题的办法也有,增大垂尾,增加纠正偏航的效率。
      对飞行员来说,在环形跑道起降,还有一个与上述情况相比较小的问题——学习、训练的成本增加了。因为在环形跑道降落,事实上并不是在一条直线下滑道上进近,接触跑道后再沿曲线跑道滑行,而是整个下滑航线都是一条曲线,这种带坡度、带曲率的进近飞行,在目前飞行员的培训中并不是常规内容。因此,若使用环形跑道起降,需要对飞行教材这类最基础的内容进行修改,增加训练时间。如此一来,可能会对飞行员的培养造成较大影响。

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