CN1483634A - 飞机的电磁起降系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种将飞机的起落架留在机场地面，并且将其设计成一种功率强大的由电磁轨道推动的飞机起降台，不但可以降低飞机的飞行重量，而且可以提高飞机起飞与着陆的安全性能，同时可以改进飞机的设计。

Description

飞机的电磁起降系统

本发明涉及一种新型的飞机起飞与降落的系统。

100年前，当莱特兄弟最初发明飞机的时候，飞机的起飞与着陆依靠固定的机轮完成，飞机在起飞以前与着陆以后，机轮就像陆地上的车辆的轮子，支撑与移动飞机，当飞机起飞以后，这个轮子就悬挂在飞机上。当然，着陆不是随便在那里都可以的事情，由于飞机到达地面的时候还保持一定的水平速度，普通的飞机必须在平坦的地面上着陆，后来这形成了机场的概念。悬挂着的机轮虽然对于着陆显得有备无患，但是它的形状影响飞机的气动力学性能，消耗了飞机的牵引力，降低了飞机的飞行速度，对于高速飞机尤其明显。考虑到这些因素，人们发明了将起落架在飞行过程中收起，起飞与着陆过程中再展开的飞机。并且在当代形成了飞机飞行全过程的主流模式与成熟技术，以至于在近年的专利文献中较少见到这方面的文献。当然，有时偶尔也可以见到一些进展，波音公司在中国专利98118388.3中提出对于飞机的前起落架的改进方案。中国专利97190912.1提出一种飞行器升空的方法，当然，在距离工程实现上预计还存在许多问题。

起落架收入飞机的机身以后，飞机的空气动力学性能得到了充分的改善。但是，起落架的重量不但没有减轻，而且加重了，因为增加了收放起落架的液压系统装置以及其他机构。由于起落架仅仅在起飞与降落过程中才有作用，所以在飞行的过程中，起落架可以被认为是飞机的额外的负载。此外，起落架对于飞机的起飞时的动力缺少有效作用。人们有时采取其他措施加以改进。例如，一些重型飞机有时采用起飞加速器缩短起飞滑跑距离。舰载飞机利用弹射器实现短距起飞。

在纪念莱特兄弟发明飞机100周年的这几年中，作者根据现代测量技术，计算机技术与自动控制技术已经得到充分发展的事实基础，提出了一种将起落架保留在飞机场的思路，后来发现这可以导致一种更加高效并且安全的起飞与着陆的设计。并且于2002年中期与早年的同学北京的赵汐潮与郭继贤进行了一些探讨，得到了一些启发。曾经计划2003年12月17日莱特兄弟的飞机首次飞行成功的时候提出专利申请，后计划提前到2003年元月1日提出申请。并且计划利用剩余的这段时间对于无起落架飞机方案作出完善。2002年9月16日，与北京人张燕辰及其夫人探讨后，认为尽早提出专利申请，以避免可能出现的一些优先权方面的争议。

飞机的电磁起降系统的目的在于减轻飞机在空中飞行的重量，同时提高飞机在起降(起飞与着陆)过程中安全可靠特性。

现在飞机的机场设施包括平坦的起降跑道。在具有电磁起降系统的机场中，在跑道的中部增设了电磁轨道A1，在电磁轨道上可以运行飞机起降台B。

飞机起降台在电磁轨道上运行采用磁悬浮电动车辆技术。这是一种在短途高速、大流量客运中已经有所利用的技术，中国第一条磁悬浮列车短途线路不久将在上海开通。

磁悬浮系统一般有3种，即永磁式磁悬浮系统、常导电吸引式磁悬浮系统和超导电推斥式磁悬浮系统。在常导电吸引式磁悬浮系统中，安装在底部的磁悬浮装置的初级线圈通入电流，与装在地面导向轨侧面的反应板(次级线圈，也通入电流)相互吸引，使飞机起降台抬离地面，通过控制磁悬浮装置初级线圈中的电流，可自动保持飞机起降台的悬浮高度。兼有导向作用的反应板与导向电磁铁相互作用，其电磁力可以使车辆保持在导向轨的中心线上，并沿直线方向前进。

牵引磁悬浮电动车辆的直线电动机有异步和同步两类。

对于异步直线驱动而言，把异步电动机的定子沿径向剖开并拉直，再用平直的导板取代转子，即构成异步直线电动机。定子为直线电动机的初级绕组，导板则为次级绕组，两者分别置于车体和地面。装在车体下的初级绕组通入三相交流电后，产生沿车体纵向平行移动的气隙行波磁场。行波磁场以同步速度切割装在地面导向轨上的次级绕组(即反应板)，使它产生感应电动势和电流，此电流与行波磁场相互作用即产生沿导轨切向的牵引力。当改变电源的频率时，可实现飞机起降台的起动和调速。改变电流的相序时，可使车辆反方向运行。频率和相序的改变可由装在飞机起降台车内的变频器来实现。磁悬浮电动车辆取消了常规的轮-轨系统，悬离地面，可以实现高速或超高速运行。功率强大的超导型磁悬浮电动车辆，可以达到每小时500公里以上的地面超高速运行。

飞机起降台B除了可以在电磁轨道A1上运行以外，还应当可以脱离电磁轨道运用车轮在平面的地面上运行。这时，可以为飞机起降台配置自身的电力或者内燃机动力系统，也可以采用牵引车拖动飞机起降台，完成飞机在机场的行驶，以完成旅客进出、维修与加油等各项操作。不过，当飞机起降台在电磁轨道上运行的时候，其车轮应当收起，脱离地面适当高度，就象目前的起落架在飞机飞行时收入机身一样。当然，飞机起落架收入机身是为了降低飞行阻力，在起降起降台处于电磁轨道运行状态时，抬高起降台的车轮的目的主要是为了避免车轮在地面的摩擦。

飞机起降台B与飞机C1的采用可离合的方式连接。比较简便的方式是采用电磁磁路方式离合连接。在飞机上离合连接部分装有高磁饱和极限的铁磁材料，飞机起降台B的离合柱B4顶端则安装电磁铁，当离合柱B4与飞机C1接近时，在离合柱B4顶端的电磁铁中通电，从而与飞机C1上离合铁磁材料形成封闭磁路，电磁铁与铁磁材料之间的吸力使飞机C1与飞机起降台B结合在一起。

飞机C1与起降台B的离合连接还可以采用机械方式。起降台B设有可以升降的离合竿B2，离合竿增强套B3，在飞机上设有离合孔C2以及锁紧装置C3与C4，离合竿B2顶端为圆锥与球头组合体，以便于插入飞机C1的离合孔C2中。离合竿B2具有一个颈部，以便于飞机C1中的两只半圆锁紧板C3与C4闭合时，将飞机C1与起降台B实现最初的连接。

当飞机C1处于地面，飞机的重量也由起降台B的离合柱B4承担。

目前飞机的着陆一般分下滑、拉平、平飞、飘落、滑跑5个阶段进行。下滑段发动机处于慢车状态，航迹接近于直线，下滑角保持某一负值(例如-1°～-7°左右)。下滑到离地面6～12米时，向后拉驾驶杆将机头抬起，进入拉平阶段。在降至离地面0.5～1.0米时，拉平段结束，飞机进入平飞减速段。在此阶段中，为保持飞机升力与重量平衡，应柔和地拉杆，逐渐增大迎角。在空气阻力作用下，速度不断降低，飞机缓慢下沉。当升力减小到小于飞机重量时，进入飘落段，飞机逐渐飘落。当主轮接地时进入滑跑阶段，飞机便开始沿跑道滑跑。滑跑速度减小到一定程度时，驾驶员推杆使前轮接地(起落架为前三点式时)，进行三轮滑跑，同时使用刹车和减速装置使飞机继续减速，直至完全停止，着陆过程结束。

对于通过电磁起降系统着陆的无起落架飞机C1，着陆过程将被简化，主要包括下滑与动力平飞两个过程。下滑过程结束以后，飞机的高度为10米左右，发动机处于慢车状态，发动机的推力与飞机C1的阻力相等，飞机则对准电磁轨道A1平飞。而飞机起降台B静止位于电磁轨道的起始位置。

在飞机C1着陆过程中，通过激光测距等方法精确测定飞机C1的瞬时位置，并且通过计算机预计此后的各个时刻的位置。当飞机C1到达预定位置以后，飞机起降台B在电磁轨道A1上启动加速(图1A)。目的是在此后预定位置上与飞机实现平面位置重合的时候，飞机与起降台的速度也相同(图1C)。由于在与飞机结合以前(图1B)，飞机起降台处于空载状态，可以通过直线电机施加较大推力，实现飞机起降台B强加速过程，其加速度可以达到重力加速度的6到10倍，或者更高。起降台B的大加速度启动可在电磁轨道A1以较短距离上完成达到预定速度的加速过程。

在飞机C1与起降台B位置与速度同步过程中，可以通过位置测量装置适时测量飞机与起降台的位置，并且通过反馈控制系统对起降台的加速过程随时进行控制调整，保证B与C1两者在预定位置在速度与平面投影位置均达到一致。

起降台B上的离合装置B2、B3与B4应当具有数米的横向位置调节能力，以适应飞机C1可能对于电磁轨道A1中心线位置的偏差。

当飞机C1与起降台B位置重合，并且速度一致以后，根据飞机C1的驾驶人员操纵，起降台B上首先将离合竿B2伸出，并且进入飞机C1的离合孔C2，随后飞机C1上相关离合孔C2以及锁紧装置C3与C4完成对离合竿B2的锁紧。离合竿B2加强柱B3随后从起降台B上升起，并且与飞机C1压紧。随后，起降台B上的离合柱B4也升起，当离合柱B4顶端的电磁铁与飞机C1预定部位的铁磁材料接近以后，在电磁铁中通入电流，以实现离合柱B4与飞机C1的连接。由于离合竿B2需要对准进入飞机C1的离合孔C2，所以离合竿B2顶端应当为一种锥体与细球头结合体。

飞机起降台B上离合竿B2与离合柱B4的的升降动作可以运用液压或者气动技术完成。

如果上述连接过程失败，飞机C1继续平飞，随后可以上拉爬升，结束本次不成功的着陆操作。

当离合柱B4与离合竿B2及B3与飞机C1完成连接以后，飞机C1的发动机即可以停车。同时，飞机C1-起降台B联合体通过电磁轨道A1上的电磁力进行控制减速，最终在电磁轨道A1上停止运动，从而正常完成飞机C1着陆过程。

在飞机C1的着陆过程中，与起降台B的连接在飞机C1飞行过程中完成。事实上，飞机C1是被起降台B从低空低速平飞“抓”着后再减速的，所以飞机C1返回地面的过程应当更加安全、可靠。

起降台B与飞机C1在电磁轨道A1上停稳以后，起降台B从底部伸出车轮行驶机构，将飞机C1送往机场上的预定位置。或者将飞机转移到一种飞机拖车上，再将飞机运送到机场上各个预定位置，完成上下旅客，维护与加油等工作。

飞机C1在通过电磁跑道起飞升空过程中，起初飞机C1并不发动，或者发动，但是处于慢车状态。飞机C1与起降台B的联合体的加速所需的力量来自于电磁轨道A1。当起降台B通过轨道A1将飞机C1加速到已经可以离开地面的速度以后，飞机C1发动机启动并达到正常爬升功率。如果此时发生异常，随即运用电磁轨道A1对起降台B与飞机C1联合体进行制动减速，取消本次起飞操作。此时电磁轨道A1的剩余长度应当保证已经达到起飞速度的飞机C1与起降台B联合体成功正常制动。如果无异常，飞机C1打开离合竿B2的锁紧装置C3与C4，并且控制起降台B从离合孔C2中抽出离合竿B2。但是离合柱B4继续维持与飞机C1的连接，起降台B继续推动飞机C1加速，使其获得超过起飞速度，以保证飞机C1的起飞的安全。当起降台B到达电磁轨道A1放飞飞机C1的预定位置以后，飞机C1的驾驶人员通过遥控系统断开离合柱B4顶端的电磁铁的电源，使飞机C1与离合柱B4分离，然后在较大的速度下进行比较安全的爬升。在起飞的飞机C1与起降台B完全分离以后，通过电磁轨道A1对起降台B施加强减速力，使起降台B迅速减速，并且在到达电磁轨道A1终点以前停止运动。

目前喷气飞机的起飞过程包括三个阶段：地面滑跑、离地和加速爬升。飞机先滑行到起飞线上，刹住机轮，襟翼放到起飞位置，并使发动机转速增加到最大值，然后松开刹车，飞机在推力作用下开始加速滑跑。当滑跑速度达到一定数值时，驾驶员向后拉驾驶杆，抬起前轮，增大迎角。此后，飞机只用两个主轮继续滑跑，机翼的升力随着滑跑速度的增加而增大，当其值等于飞机的重量时，飞机便离开地面，加速爬升。上升到10～15米高度上收起起落架。此后，起飞阶段结束。

两者相比，无起落架飞机C1在起飞过程中对于飞机的发动机无特殊要求，从而容许人们在设计飞机发动机的时候更集中考虑巡航时在节省燃料等方面达到最佳性能。新型飞机C1脱离起降台B以后具有更大初速度，所以更加安全。

由于飞机C1起飞的时候，电磁轨道A1与起降台B需要从电网吸收或者回送较大的瞬时功率，容易对于电网正常运行形成损害。为了降低飞机C1通过电磁轨道完成起飞与降落对于日常电网的冲击，该系统应当配备飞轮蓄能装置。在飞机C1降落过程中，电磁轨道A1首先从蓄能系统吸收能量使飞机起降台B加速，飞机C1与起降台连B接以后，电磁轨道A1对飞机C1-起降台B联合体制动，回收的能量向飞轮蓄能系统发送。飞机C1起飞的情况与上述情况相似。飞轮蓄能系统损耗的能量由电力电网补充。

上述具有新型电磁轨道起降系统的航空系统与传统的航空系统相比具有3点优势：首先在于取消了在飞行中没有作用的起落架，降低了飞机的飞行重量，从而提高飞行效；其次，飞机在起飞时无须使用其发动机的最大功率，这有利于飞机推进系统的最优化设计，并且提高发动机的燃料利用效率；更为重要的是，飞机在起飞与着陆的过程更为安全。

图1为新型飞机着陆时起降台与飞机在位置与速度方面的同步过程示意图；

图2，图3及图4为飞机起降台与飞机同步以后飞机起降台中离合竿与飞机离合孔对接示意图；

图5为从起降台中升起离合柱并且与飞机连接的过程示意图；

图6为起降台上的离合竿顶端与飞机上的离合孔锁紧后的示意图。

以超音速越洋客机为例说明新型飞机起降系统的工作过程。超音速飞机在低速飞行时性能欠佳，着陆时飞机速度比较大，电磁轨道可以将起降台加速到时速400公里以上与飞机连接。连接完成以后，使用电磁轨道提供的电磁力使飞机与起降台在较短的时间、较短的距离上完成减速与制动，完成着陆过程。

Claims (8)

1，一种建立在现代测量技术、计算机技术与自动控制技术基础上的飞机的起飞与降落系统，其特征在于在机场设有电磁轨道、以及可以在电磁轨道上作加减速运动的但是并不升空的飞机起降台。飞机起降台上设有通过液压或气动驱动的离合柱以及离合竿，离合柱顶端具有高功率电磁铁，飞机起降台还设有可以在地面上运行的车轮。飞机上设有与离合柱与离合竿匹配的铁磁部件与离合孔。

2，根据权利要求1，飞机着陆过程是，飞机对准电磁轨道后，在安全高度与安全速度之上使发动机处于慢车状态，维持低空匀速平飞。飞机接近电磁轨道以后，位于电磁轨道终端的飞机起降台启动强加速，并且随后实现与低空平飞的飞机等速，并且在平面位置上重合。此后，从飞机起降台上升起离合竿与离合柱，实现飞机与飞机起降台的连接，形成飞机-起降台联合体，然后关闭飞机发动机，并且通过电磁轨道对该联合体减速，直至在电磁轨道上停止运动。

3，根据权利要求2，飞机降落时，飞机如果与飞机起降台连接失败或者其他因素导致飞机本次着陆失败，增加处于慢车的飞机发动机功率，飞机爬升以后重新着陆。

4，根据权利要求2，离合柱与离合竿在飞机起降台上具有数米的横向移动调整能力，以适应着陆飞机低空平飞时航迹可能对于电磁轨道中心线的偏离。

5，根据权利要求1，飞机起飞过程是，飞机位于飞机起降台之上，并且通过离合竿与离合柱形成飞机-起降台联合体，位于电磁轨道一端，通过电磁轨道对该联合体加速，达到起飞速度以后，飞机发动机开启到正常爬升功率，飞机与起降台松开起降台的离合竿与离合柱，飞机继续加速升空，起降台则随即通过电磁轨道的作用力减速，直到停止运动。

6，根据权利要求5，飞机起飞时，飞机如果发动机启动失败，或者飞机与飞机起降台分离失败导致本次起飞失败，电磁轨道随即制动飞机-起降台联合体，紧急停止飞机升空过程。

7，根据权利要求1，当飞机起降台离开电磁轨道以后，可在地面运动的车轮展开，并在机场上行驶，当进入电磁轨道以后，这些车轮收起，脱离与地面的接触摩擦。

8，根据权利要求1，为了降低飞机在电磁轨道上起飞与降落对于日常电网的冲击，该系统应当配备大型飞轮蓄能装置。

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