環(huán)形跑道大膽腦洞令人心動
發(fā)布時間:2018-07-02 來源: 感恩親情 點擊:
荷蘭研究員亨克·赫賽連克提出的現代環(huán)形跑道設計構想,得到了歐盟第七框架委員會的資助,荷蘭國家航空航天實驗室的團隊,與德國、法國、西班牙及波蘭等國的相關機構合作,利用現代航空理論與技術,對該構想進行了詳細的科學分析。
環(huán)形跑道怎么飛?
把飛機跑道修成環(huán)形,赫賽連克并不是第一個提出這個聽上去異想天開設計的人。早在1919年,美國《大眾科學》雜志中就有文提議,在摩天大樓密集的城市上空,以樓頂為支點,修建環(huán)形跑道,方便商務人士駕駛自己的私人飛機直達辦公室。在1960年1月10日的亞瑟-拉德博的周日漫畫上,一副題為“環(huán)形跑道”的漫畫出現在“CLOSER THAN WETHINK”(比我們想象的更近)系列中,不過與自主起降的理念不同,漫畫中表現的飛行器在跑道上被“火箭動力單元”牽引,靠離心力“甩”出去。1965年,美國海軍也進行了環(huán)形跑道的探索,不過他們并沒有使用漫畫中的“火箭動力單元”。
這個第一條進行了飛機起降實測的環(huán)形跑道,道面傾角15°,以抵消飛機滑跑時的離心力!都~約時報》曾報道,美國海軍在環(huán)形跑道上進行了試驗,發(fā)現起降“非常容易”。但由于當時航空業(yè)發(fā)展已經初具規(guī)模,直線跑道成為主流,因此美海軍的環(huán)形跑道最終只是停留在了試驗階段。
一百年過去了,當年的種種設想最終沒有變成現實,但是對環(huán)形機場設計的嘗試與探索,卻沒有因為時間的流逝而消亡。時至今天,環(huán)形跑道概念又一次被提出,提起人赫賽連克最初的目的是為了解決飛機在側風環(huán)境下起降困難的問題,飛機在環(huán)形跑道起降可以不受風向的制約,如果有一條足夠長的大圓跑道,通過高效的管理手段,甚至可以提高機場運行效率。理想都是美好的,但現實中,赫賽連克和整個團隊是怎么做的,環(huán)形跑道概念又會遇到多少困難呢?
飛行員和空管的討論
進行現代環(huán)形跑道設計,至少需要對以下3方面進行詳細深入的研究:飛機起降可行性與安全性、基建規(guī)劃、空中交通管制方案。事實上,赫賽連克團隊也是從這3個方面開始評估的。其中,起降性能和規(guī)劃都是地面工作,其所面臨的第一個問題是,環(huán)形跑道建多大?
赫賽連克團隊給出的數據是:直徑3.5千米,跑道全長10千米。這是一個經過計算分析后的數值,3.5千米的半徑配合10°的道面傾角,客機起飛時300千米/小時的時速,會將乘客所能感受到的離心力降到一個相對舒適的程度。周長接近3條傳統(tǒng)跑道的長度,但具備在任何一點著陸的能力,以及擁有4條跑道的運行容量。
這的確是個不錯的設計。在跑道基建方面,修建什么樣的跑道已經不是問題,環(huán)形跑道真正的問題在于,飛行員怎么飛?空管如何指揮?
我們與幾位軍民航飛行員進行了討論,對于環(huán)形跑道,飛行員們的第一反應是,降落階段,會顯著增加操縱難度。在傳統(tǒng)直線跑道降落,飛行員首先需要做到的是一對正跑道,即便是在側風條件下,通過航面補償,可以很大程度抵消側風對航向的影響。但要對正環(huán)形跑道降落,飛機接地范圍從一條線變成了一個點——下滑航線與圓周跑道的切點。即使使用弧形下滑線,即戰(zhàn)斗機飛行員常用的短五邊大坡度降落方式,在直線跑道降落后,飛行員不需要做太多修正滑行姿態(tài)的操縱,但在環(huán)形跑道上,飛行員還需要在滑行時對飛機姿態(tài)進行修正,特別是在不同速度時,離心力不同,操縱量大小不同,各種機型也會有不同的操縱差異。
如果在環(huán)形跑道起降時產生不同離心力的作用,可以通過優(yōu)化跑道寬度、坡度和曲率等設計手段解決,那么,下面這個問題恐怕就有點棘手了。
傾斜的機身會降低機翼有效升力。這是一個客觀存在的問題,而且飛機個頭越大,在傾斜跑道起飛時損失的升力就越大。升力損失后,問題接踵而至,如果說增加正常情況下跑道的使用長度還不是個大問題,那么對于747、A380這類重型機需要復飛時,因升力損失導致所需跑道長度大幅度延長,如何在離心力上下突變的環(huán)境中操縱飛機,如何管理跑道,這些都是百年航空發(fā)展中未曾考慮過的問題。
赫賽連克關于環(huán)形跑道構想的提出是為了改善側風環(huán)境下飛行員的操縱難度,但幾位參與討論的飛行員們提出了一個與初衷相悖的疑問:現代飛行器的性能,在小于15節(jié)(1節(jié)=1.852千米/小時)正側風條件下降落基本沒有難度,若遇二三十節(jié)的強風天,即便是平行風向降落,也具有一定難度,強風天里存在風切變的風險。若在強風環(huán)境中在帶坡度的環(huán)形跑道降落,可能還不如在直線跑道上,一心應對側風帶來的困難,可能要比一邊應對強風,一邊帶坡度降落安全的多。
飛行員們還提出了一個問題——單發(fā)失效的處置。在環(huán)形跑道起飛時,垂直尾翼很大程度上是在糾正飛機的偏航,使機頭始終沿著跑道中線,如果此時外環(huán)一側的發(fā)動機失效,推力失衡,垂尾很難再應對“離心力+不平衡推力”帶來的偏航效應,飛機瞬間甩出跑道的可能性很大。同樣,環(huán)形跑道也會對單發(fā)失效飛機的降落帶來比較大的操縱風險,其原理與起飛時單發(fā)失效類似。解決或緩解這個問題的辦法也有,增大垂尾,增加糾正偏航的效率。
對飛行員來說,在環(huán)形跑道起降,還有一個與上述情況相比較小的問題——學習、訓練的成本增加了。因為在環(huán)形跑道降落,事實上并不是在一條直線下滑道上進近,接觸跑道后再沿曲線跑道滑行,而是整個下滑航線都是一條曲線,這種帶坡度、帶曲率的進近飛行,在目前飛行員的培訓中并不是常規(guī)內容。因此,若使用環(huán)形跑道起降,需要對飛行教材這類最基礎的內容進行修改,增加訓練時間。如此一來,可能會對飛行員的培養(yǎng)造成較大影響。
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