磁悬浮代替航空轮胎可行性研究

陈衍甫

现如今，飞机作为一个重要的交通工具渐渐被人们熟知，可是这里仍有许多奥秘与许多需要改进的地方等待着我们去探寻。

1 飞机起飞原理

当机场里的飞机从候机厅呼啸而过飞上天空时，许多人以为飞机只需要加到一定速度就能一跃而起，这个说法说是对的，但是也存在一些问题，请听我来一一解释。

到目前为止，除了少数特殊形式的飞机外，大多数飞机都由机翼、机身、尾翼、起落装置和动力装置五个主要部分组成：

1.1 机翼--机翼的主要功用是产生升力，以支持飞机在空中飞行，同时也起到一定的稳定和操作作用。机翼上还可安装发动机、起落架和邮箱等。

1.2 机身--机身的主要功用是装载乘员、旅客、武器、货物和各种设备，将飞机的其他部件如：机翼、尾翼及发动机等连接成一个整体。

1.3 尾翼--尾翼包括水平尾翼和垂直尾翼。水平尾翼由固定的水平安定面和可动的升降舵组成，垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可动的方向舵。尾翼的作用是操纵飞机俯仰和偏转，保证飞机能平稳飞行。

1.4 起落装置--飞机的起落架大都由减震支柱和机轮组成，作用是起飞、着陆滑跑，地面滑行和停放时支撑飞机。

1.5 动力装置--动力装置主要用来产生拉力和推力，使飞机前进。其次还可为飞机上的其他用电设备提供电源等。现在飞机发动机主要为涡轮喷气发动机与涡轮风扇发动机。

飞机上除了这五个主要部分外，根据飞机操作和执行任务的需要，还装有各种仪表、通讯设备、领航设备、安全设备等其他设备。

飞机的机翼的上下两侧的形状是不一样的，上侧的要凸些，而下侧的则要平些。当飞机滑行时，机翼在空气中移动，从相对运动来看，等于是空气沿机翼流动。 按照物理学的伯努利方程：同样是流过某个表面的流体，速度快的对这个表面产生的压强要小。因此就得出机翼上表面大气压强比下表面的要小的结论，这样子就产生了升力，升力达到一定程度飞机就可以离地而起。飞机起飞时，作为飞行器其密度大于空气，当其飞行时，维持飞行的升力就是空气动力，而飞机起飞时，其速度往往要达到300多公里每小时，根据流体力学基本定理，速度与压力成反比，由于飞机机翼上侧呈曲线，故上侧空气流动速度大于下侧，使下侧压力大于上侧，也使飞机受到一个向上的升力，使飞机得以起飞。

2 航空轮胎的作用及缺陷

航空轮胎俗称飞机轮胎。飞机轮胎是飞机上安全性与可靠性要求都很高的重要部件。飞机的安全起飞和降落都必须依靠飞机轮胎的各种独特的功能。

航空轮胎实际上与普通的汽车轮胎不同，即便他们外观与作用上极其相似。实际上，飞机轮胎所受载荷远远高于汽车轮胎，假设某一汽车重1.5吨，那么每个轮胎所受载荷为3750N，而一架民航客机约为400吨，有16个轮胎，每个主起落架轮胎所受载荷为25000N，可见航空轮胎的强度之大。而且汽车轮胎对于飞机轮胎而言，它被设计的不容易变形，飞机轮胎的变形率在32%-35%之间，粗略估计是汽车和卡车轮胎变形率的一半。轮胎要求具有高抗冲击强度和很低生热性。

其实轮胎速度同时也会限制重量。飞机离地之后，轮胎转速降低首先是因为转动摩擦力损失速度，接着因为在收起落架时施加了刹车。在波音飞机和麦道飞机上，直到轮胎停止转动后起主起落架才会收起，这样的顺序是为了保护机轮舱和里面的组件不受松掉的轮胎面或爆胎损坏。

但是航空轮胎同时也存在缺陷，一旦飞机起降时轮胎爆胎损坏货胎面松掉，将会影响机件舱里组件和涡轮风扇发动机正常工作，给飞机带来极大的安全隐患，因此航空轮胎也被要求每隔近百次起降便会被更换一次。

这种做法十分麻烦，不仅浪费还具有安全隐患，所以寻求更好的方法来改善这一局面显得尤为必要。

3 磁悬浮的原理

首先我们来介绍一下磁悬浮的基本原理。

磁悬浮技术，简称EML技术，指利用磁力克服重力的一种技术，目前悬浮技术包括磁悬浮、声悬浮、光悬浮和气流悬浮等，但如今只有磁悬浮技术发展最为成熟。

磁悬浮技术的系统，是由转子、传感器、控制器和执行器4部分组成，其中执行器包括电磁铁和功率放大器两部分。它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属球的悬浮。假设将一个金属样品放置在通有高频电流的线圈上时，高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流与外磁场相互作用，使金属样品受到一个洛沦兹力的作用。在合适的空间配制下，可使洛沦兹力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。

其实磁悬浮也就是利用“同性相斥，异性相吸”的原理，目前世界上有三种磁悬浮技术，一是德国发展的常导式磁悬浮，二是日本的超导电动磁悬浮，这两种磁悬浮都需要用电力来产生磁悬浮动力，中国对磁悬浮列车的研究工作虽然起步较迟，但中国所研发的是永磁悬浮，利用特殊的永磁材料，不需要其他任何动力来支持。

目前磁悬浮技术发展势头迅猛，被广泛用于列车上。那么我们否也可以将此技术用于飞机起降呢？

4 磁悬浮代替轮胎可行性

作为以磁悬浮来代替普通的飛机靠航空轮胎起降，我们可以将其可行性与磁悬浮列车进行类比， 铁轨与车辆不接触，不但运行速度非常快，可以超过500 千米/小时，而且运行平稳、舒适，易于实现自动控制;无噪音，不排出有害的废气，有利于环境保护;运营、维护和耗能费用低。磁悬浮列车没有车轮和铁轨的接触，震动小，舒适性好，其工作属于无磨损运行，维修主要集中在电子技术方面，不需大量体力劳动，减少了维护工作量和经营成本。同时，如果磁悬浮技术用于飞机起降，它可以在短时间内达到飞机起飞所需的离地速度，而且飞机跑道无需定期维护，排除了航空轮胎所需费用与其一定的风险;它同时起到了环境保护的效益，大大减噪，对于机场周围的地面开发也起到了一定的推动作用。

但是以磁悬浮来代替飞机靠航空轮胎起降的优点还不止如此。这就要考虑到之前对飞机起降原理的叙述，那就是其对于飞机发动机的具体要求。

飞机的涡轮发动机由前面吸入空气，经由压缩器增压之后，即将油与气混合并于燃烧室引燃。燃烧后的高温排气流经涡轮产生转动的力量，此力量经过传动轴去驱动压缩器。此时排气仍含有很多热能，即经由喷嘴高速喷出，依反作用定律产生推力。从而使飞机得得以飞行。

但是我们可以注意一点，当飞机起飞时，一般4个发动机要达到最大功率以提供飞机起飞所需速度，而当飞机在空中飞行时，即便只剩下一个发动机，飞机仍可以照常运行。当我们以磁悬浮来代替普通飞机靠航空轮胎起飞时，给飞机动力的由发动机变为磁悬浮技术，这大大减少了飞机自身所需能量。同时飞机对发动机要求极高，我国又并未完全掌握航空发动机研发技术，若运用此技术，可以大大降低发动机标准，甚至技术过硬的话完全可以用汽车发动机来替代飞机发动机，这无疑是利用新的思路来解决目前难以攻克的技术问题。

（作者单位：合肥168中学）