磁懸浮代替航空輪胎可行性研究

陳衍甫

現如今，飛機作為一個重要的交通工具漸漸被人們熟知，可是這里仍有許多奧秘與許多需要改進的地方等待著我們去探尋。

1 飛機起飛原理

當機場里的飛機從候機廳呼嘯而過飛上天空時，許多人以為飛機只需要加到一定速度就能一躍而起，這個說法說是對的，但是也存在一些問題，請聽我來一一解釋。

到目前為止，除了少數特殊形式的飛機外，大多數飛機都由機翼、機身、尾翼、起落裝置和動力裝置五個主要部分組成：

1.1 機翼--機翼的主要功用是產生升力，以支持飛機在空中飛行，同時也起到一定的穩定和操作作用。機翼上還可安裝發動機、起落架和郵箱等。

1.2 機身--機身的主要功用是裝載乘員、旅客、武器、貨物和各種設備，將飛機的其他部件如：機翼、尾翼及發動機等連接成一個整體。

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動的升降舵組成，垂直尾翼包括固定的垂直安定面和可動的方向舵。尾翼的作用是操縱飛機俯仰和偏轉，保證飛機能平穩飛行。

1.4 起落裝置--飛機的起落架大都由減震支柱和機輪組成，作用是起飛、著陸滑跑，地面滑行和停放時支撐飛機。

1.5 動力裝置--動力裝置主要用來產生拉力和推力，使飛機前進。其次還可為飛機上的其他用電設備提供電源等。現在飛機發動機主要為渦輪噴氣發動機與渦輪風扇發動機。

飛機上除了這五個主要部分外，根據飛機操作和執行任務的需要，還裝有各種儀表、通訊設備、領航設備、安全設備等其他設備。

飛機的機翼的上下兩側的形狀是不一樣的，上側的要凸些，而下側的則要平些。當飛機滑行時，機翼在空氣中移動，從相對運動來看，等于是空氣沿機翼流動。 按照物理學的伯努利方程：同樣是流過某個表面的流體，速度快的對這個表面產生的壓強要小。因此就得出機翼上表面大氣壓強比下表面的要小的結論，這樣子就產生了升力，升力達到一定程度飛機就可以離地而起。飛機起飛時，作為飛行器其密度大于空氣，當其飛行時，維持飛行的升力就是空氣動力，而飛機起飛時，其速度往往要達到300多公里每小時，根據流體力學基本定理，速度與壓力成反比，由于飛機機翼上側呈曲線，故上側空氣流動速度大于下側，使下側壓力大于上側，也使飛機受到一個向上的升力，使飛機得以起飛。

2 航空輪胎的作用及缺陷

航空輪胎俗稱飛機輪胎。飛機輪胎是飛機上安全性與可靠性要求都很高的重要部件。飛機的安全起飛和降落都必須依靠飛機輪胎的各種獨特的功能。

航空輪胎實際上與普通的汽車輪胎不同，即便他們外觀與作用上極其相似。實際上，飛機輪胎所受載荷遠遠高于汽車輪胎，假設某一汽車重1.5噸，那么每個輪胎所受載荷為3750N，而一架民航客機約為400噸，有16個輪胎，每個主起落架輪胎所受載荷為25000N，可見航空輪胎的強度之大。而且汽車輪胎對于飛機輪胎而言，它被設計的不容易變形，飛機輪胎的變形率在32%-35%之間，粗略估計是汽車和卡車輪胎變形率的一半。輪胎要求具有高抗沖擊強度和很低生熱性。

其實輪胎速度同時也會限制重量。飛機離地之后，輪胎轉速降低首先是因為轉動摩擦力損失速度，接著因為在收起落架時施加了剎車。在波音飛機和麥道飛機上，直到輪胎停止轉動后起主起落架才會收起，這樣的順序是為了保護機輪艙和里面的組件不受松掉的輪胎面或爆胎損壞。

但是航空輪胎同時也存在缺陷，一旦飛機起降時輪胎爆胎損壞貨胎面松掉，將會影響機件艙里組件和渦輪風扇發動機正常工作，給飛機帶來極大的安全隱患，因此航空輪胎也被要求每隔近百次起降便會被更換一次。

這種做法十分麻煩，不僅浪費還具有安全隱患，所以尋求更好的方法來改善這一局面顯得尤為必要。

3 磁懸浮的原理

首先我們來介紹一下磁懸浮的基本原理。

磁懸浮技術，簡稱EML技術，指利用磁力克服重力的一種技術，目前懸浮技術包括磁懸浮、聲懸浮、光懸浮和氣流懸浮等，但如今只有磁懸浮技術發展最為成熟。

磁懸浮技術的系統，是由轉子、傳感器、控制器和執行器4部分組成，其中執行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。它的主要原理是利用高頻電磁場在金屬表面產生的渦流來實現對金屬球的懸浮。假設將一個金屬樣品放置在通有高頻電流的線圈上時，高頻電磁場會在金屬材料表面產生一高頻渦流，這一高頻渦流與外磁場相互作用，使金屬樣品受到一個洛淪茲力的作用。在合適的空間配制下，可使洛淪茲力的方向與重力方向相反，通過改變高頻源的功率使電磁力與重力相等，即可實現電磁懸浮。

其實磁懸浮也就是利用“同性相斥，異性相吸”的原理，目前世界上有三種磁懸浮技術，一是德國發展的常導式磁懸浮，二是日本的超導電動磁懸浮，這兩種磁懸浮都需要用電力來產生磁懸浮動力，中國對磁懸浮列車的研究工作雖然起步較遲，但中國所研發的是永磁懸浮，利用特殊的永磁材料，不需要其他任何動力來支持。

目前磁懸浮技術發展勢頭迅猛，被廣泛用于列車上。那么我們否也可以將此技術用于飛機起降呢？

4 磁懸浮代替輪胎可行性

作為以磁懸浮來代替普通的飛機靠航空輪胎起降，我們可以將其可行性與磁懸浮列車進行類比， 鐵軌與車輛不接觸，不但運行速度非常快，可以超過500 千米/小時，而且運行平穩、舒適，易于實現自動控制;無噪音，不排出有害的廢氣，有利于環境保護;運營、維護和耗能費用低。磁懸浮列車沒有車輪和鐵軌的接觸，震動小，舒適性好，其工作屬于無磨損運行，維修主要集中在電子技術方面，不需大量體力勞動，減少了維護工作量和經營成本。同時，如果磁懸浮技術用于飛機起降，它可以在短時間內達到飛機起飛所需的離地速度，而且飛機跑道無需定期維護，排除了航空輪胎所需費用與其一定的風險;它同時起到了環境保護的效益，大大減噪，對于機場周圍的地面開發也起到了一定的推動作用。

但是以磁懸浮來代替飛機靠航空輪胎起降的優點還不止如此。這就要考慮到之前對飛機起降原理的敘述，那就是其對于飛機發動機的具體要求。

飛機的渦輪發動機由前面吸入空氣，經由壓縮器增壓之后，即將油與氣混合并于燃燒室引燃。燃燒后的高溫排氣流經渦輪產生轉動的力量，此力量經過傳動軸去驅動壓縮器。此時排氣仍含有很多熱能，即經由噴嘴高速噴出，依反作用定律產生推力。從而使飛機得得以飛行。

但是我們可以注意一點，當飛機起飛時，一般4個發動機要達到最大功率以提供飛機起飛所需速度，而當飛機在空中飛行時，即便只剩下一個發動機，飛機仍可以照常運行。當我們以磁懸浮來代替普通飛機靠航空輪胎起飛時，給飛機動力的由發動機變為磁懸浮技術，這大大減少了飛機自身所需能量。同時飛機對發動機要求極高，我國又并未完全掌握航空發動機研發技術，若運用此技術，可以大大降低發動機標準，甚至技術過硬的話完全可以用汽車發動機來替代飛機發動機，這無疑是利用新的思路來解決目前難以攻克的技術問題。

（作者單位：合肥168中學）