飞机轮组-湿滑道面相互作用与着陆安全研究

Based on computational fluid mechanics, dynamic lubricate theory, and according to the structure features of tyres and landing gears of aircrafts, the interaction mechanical model between the aircraft tyre and water film on the wet pavement is established. Further the interaction model between an aircraft tyre, water film and wet pavement is established by software FlUENT. Then the interaction model between wheel set tyres ,water film and wet pavement is obtained too, by which the distribution and variation of dynamic water pressures on one tyre and more tyres during hydroplaning are researched respectively. On the other hand, to investigate the quantity relation between water thickness and friction coefficients of the wet-pavement, laboratory model friction coefficient tests and in-situ tests are produced combined with statistical data from airlines, and quantity variations relation between thickness of the water film and friction coefficients of the wet-pavement is obtained. Then an integrated movement model of a landing aircraft is established and the landing movement equation is established also to study the variation of key parameters in the landing patterns and the critical landing speed considering the thickness of water film on wet-pavement. The above results not only provide real time landing parameters for pilots, but also give some advice on the landing program and further provide criteria about applicability of the wet-pavement. Also the results can decrease landing accidents' probability and improve safety level in civil aviation operation remarkably.

本项目运用计算流体力学、动力润滑理论和动力学定律，依据飞机轮胎结构特征及起落架构型，建立适用于飞机的轮胎与湿滑道面水膜相互作用的力学模型，进而运用FLUENT软件建立飞机单个轮胎和轮组-水膜-道面之间相互作用的实体滑水数值模型，从而获得湿滑道面滑行飞机单轮及轮组滑水过程中动水压力的分布及变化规律。利用室内试验与现场试验及统计数据的结合和互补，获得水膜厚度-道面摩擦系数的定量变化规律，从而建立水膜与道面状况之间的定量规律。进一步，对滑行飞机进行运动学整体分析，利用能量守恒和动能定理建立飞机着陆滑行力学方程，获得不同水膜厚度条件下飞机着陆滑行主要参数变化规律和着陆临界速度。本项目的研究成果可为飞行员提供湿滑道面着陆数据参考和着陆操作合理化建议，为空管人员提供湿滑跑道着陆适用性判断标准，保证着陆安全，减少滑水着陆事故概率，显著提高民航安全运行水平。

湿滑跑道严重影响着飞机起降安全，其根本原因就是水膜与轮胎相对运动产生的动水压力会使飞机行驶姿态发生改变，这种现象称为滑水。飞机行驶速度高，一旦发生滑水就会造成重大的经济损失，严重的甚至带来机毁人亡的后果。随着航空业迅速发展，飞机作为航空运输业主要载运工具，对其安全性能的研究与评估一直被从业人员所重视。而飞机在起飞、降落运行阶段一直是航空事故频发的关键节点，统计分析表明降雨造成的事故几乎占总数的67%以上。针对以上问题对湿滑道面飞机轮胎力学行为及该过程中的飞机着陆安全问题进行了探讨，得到了一些有益的结论。.1）基于弹性流体动力润滑理论，参考多种机型并以波音737主起落架为研究对象，首先运用流体分析软件Fluent建立带有纵向花纹的轮胎接地断面二维有限元模型，模拟轮胎受水流冲击的过程，提出了轮组效应，确定适用于不同机型轮胎的流场分析计算域，并对飞机轮胎滑水现象进行参数影响分析。.2）基于Navier-Stokes粘性流体力学微分方程建立轮胎-湿滑道面相互作用理论模型，得出轮胎所受水膜抬升力，提出临界滑水速度上、下限解的概念。在此基础上，建立轮胎-湿滑道面三维实体有限元分析模型，利用NASA试验结果验证模型正确性，采用CEL算法进行轮胎-湿滑道面相互作用计算和分析，得到动水压强分布规律和滑水现象产生机理，印证了临界滑水速度不唯一的结论。.3）考虑实际道面积水情况，利用上述模型建立动轮胎冲击静流场模型，探讨考虑实际道面积水状态下的轮胎-道面相互作用力变化规律，获得实际道面积水条件下的临界滑水速度与其变化规律，并基于此提出临界滑水速度修正公式。.4）基于道面支撑力的研究成果，建立运动学有限元分析模型，开展湿滑道面上飞机滑行安全问题研究。明确了飞机在湿滑道面运行时，积水区域位置对飞机发生偏航的影响。距离飞机着陆点130m与400m出现积水易引起飞机着陆过程中的偏航角度。给出不同降雨强度等级下，飞机着陆进近速度的建议控制值，以及道面积水控制建议。