通常情况下,起飞跑道的道面状况分为三类:
(1)干跑道:
飞机起降需用距离和宽度范围内的表面上没有污染物或可见的潮湿条件的跑道称为干跑道。需要注意的是:对于经过铺筑、带沟槽或具有多孔摩擦材料处理,即使在有湿气时也能保持"有效干”的刹车效应的跑道也算干跑道。
(2)湿跑道:
当跑道表面覆盖有厚度等于或小于O.ft的水,或者当量厚度等于或小于0.ft深的融雪、湿雪、干雪;或者跑道表面有湿气但并没有积水时,这样的跑道被视为湿跑道。
(3)污染跑道:
飞机起降需用距离的表面可用部分的长和宽内超过25%的面积(单块或多块区域之和)被超过0.ft深的积水,或者被当量厚度超过0.ft水深的融雪、湿雪、干雪,或者压紧的雪和冰(包括湿冰)等污染物污染的跑道。如果跑道的重要区域,包括起飞滑跑的高速段或起飞抬轮和离地段的跑道表面被上述污染物覆盖,也应该算作污染跑道。
跑道上污染物的常见形式有积水、融雪、湿雪、干雪、压实的雪及积冰等。跑道道面状态与污染物形式和厚度对应关系如表1所示。硬质污染物(压实雪和冰)对起飞滑跑的主要影响特性是使摩擦力减小、方向控制能力减小甚至丧失;液态污染物(积水、融雪、湿雪、干雪等)在减小摩擦力的同时,常常会出现滑水现象并产生融雪(积水)阻力。
表1跑道道面状态与污染物形式和厚度对应关系
飞机在湿跑道和污染跑道上起飞滑跑中的滑水现象:
滑水(hydroplaning)是指道面积水使机轮与道面接触面积减少,导致摩擦力减小的现象。这是因为跑道上有水会在轮胎和跑道之间形成一层水膜,导致轮胎干燥区域的减小。在高速时,这种现象变得更加严重,因为不能将水从轮胎和跑道之间挤出去,飞机轮胎被一层薄的液体膜包裹从而使其与跑道表面分离,在这种情况下,摩擦力会显著下降,甚至降到几乎可以忽略的值,同时还会导致机轮刹车和用于方向控制的前轮转弯失效。滑水现象主要是由于水与轮胎相对运动时产生流体动力Fw,该力垂直于地面的分力Fwz使机轮抬起或具有抬起的趋势,使机轮与道面接触面积减少,形成滑水。学者们将滑水产生时轮胎与路面间的接触区域分为完全上浮区、过渡区和直接接触区。图1所示为轮胎滑水时与跑道道面作用的三区域图,区域A位于飞机滑跑的前方,为完全上浮区,此区域水流完全包围轮胎,轮胎在水流的流体压力下被抬起并完全脱离道面;区域B为过渡区,胎面花纹未排净的水以膜的形式存在,轮胎部分被抬起;区域C为直接接触区,轮胎与地面间的摩擦为飞机前进提供驱动力。随着飞机滑跑速度的不断增加,花纹沟不能及时将水排尽,区域C的占比逐渐减小直至为零,此时轮胎出现完全滑水现象。
图1轮胎滑水原理图
通常根据滑水产生的程度不同可分为三种形式。
(1)黏性滑水:是指道面与轮胎仍有接触的滑水,通常在积水层较浅时产生。黏性滑水导致的后果主要是摩擦力减小、机轮转速下降。
(2)动态滑水:是指轮胎与道面完全脱离的滑水,一般常在积水层较深且滑跑速度较大时产生。动态滑水将导致机轮转速大大下降甚至会停转和反转,摩擦力急剧减小,方向控制能力显著下降甚至完全丧失。
(3)橡胶还原滑水:当轮胎较长时间停转时,在湿或污染跑道上摩擦产生的高温将使橡胶变软、发黏并进而产生还原现象,同时积水层受热产生的蒸汽层会把轮胎抬离道面。橡胶还原滑水将导致机轮锁死,轮胎的摩擦力极小,飞机的方向控制能力将完全失去。
在湿跑道和污染跑道上起飞的主要特点:
在湿跑道或污染跑道上起飞时,会使飞机地面滑跑期间的阻力增加,并伴有滑水现象产生,使飞机的方向控制能力减弱,加速能力减弱。
飞机在湿或污染跑道上滑跑时会增加一个附加的阻力,通常称之为融雪阻力,即由于污染物引起的附加阻力,主要包括排挤阻力和飞溅撞击阻力(如图2所示)。排挤阻力是因污染物相对轮胎轨迹发生位移即滑跑时排开道面上的污染物而产生的阻力;飞溅撞击阻力是因机轮(主要是前起落架)将污染物抛向机身并产生撞击而产生的冲击阻力。积水阻力可以提高减速率,在中断起飞时其影响是正面的;同时积水阻力也将降低加速率,对起飞将产生负面影响。
图2融雪(积水)阻力
中国飞行试验研究所的刘静等人通过研究适航当局对污染跑道起飞性能的要求,分析了起飞过程中飞机的受力情况,建立了污染跑道起飞性能模型,重点研究了模型中污染物阻力的计算方法,计算出了污染跑道对不同重量飞机起飞性能的大致影响(如表2所示)
表2:污染跑道对飞机起飞性能的影响计算结果
通常情况下飞机的全发加速度能力在6mm厚的融雪跑道上减小约10%~20%,在13mm厚的融雪跑道上减小约20%~40%;一发失效加速能力在6mm厚的融雪跑道上减小约15%~50%,在13mm厚的融雪跑道上减小约30%~%。
根据关于TOD(起飞距离)和ASD(加速停止距离)的规定,相同的起飞条件下,在湿跑道和污染跑道上的TOD和ASD可能比干跑道短。但规章中规定,在湿和污染跑道上的起飞重量不允许超过相同条件下干跑道的起飞重量。
参考文献:
[1]丁松滨.飞行性能与飞行计划[M].北京:科学出版社,:89-92.
[2]姜胜林.子午线轮胎的有限元网格生成及滑水仿真分析[D].济南:山东大学,.
[3]刘静,成婷婷,屈飞舟.运输类飞机污染跑道起飞性能建模与分析[J].飞行力学,,39(2):22-27.
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