国外运输机简易跑道试飞进展及关键技术研究

秋路 房圣友

摘  要：在引入简易跑道环境复杂性及试飞难度大的基础上，研究了国外运输机简易跑道试飞进展，其中C-17、A400M等飞机简易跑道试飞经验对运输机简易跑道或其他跑道环境适应性验证有重要的参考价值;建立了运输机简易跑道试飞关键技术，并展望了简易跑道试飞及使用前景，有助于深化相关专题研究，为建设简易跑道试飞能力及使用能力提供技术支撑。

关键词：运输机;简易跑道;试飞进展;C-17运输机;A400M运输机

中图分类号：V351.11       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）27-0016-04

Abstract： Introducing the complexity of unpaved or semi-prepared runways and difficulties of the relevant flight tests， this paper studies the development of transporter flight tests on this kind of runways worldwide， among which the engineering practice of C-17 and A400M is quite valuable. Besides， key technologies involved in the domain of flight tests on such runways are built and prospects of these tests and transporter operation are discussed. This research will be beneficial to further studies and the construction of unpaved runway flight test/operating capacities.

Keywords： transport aircrafts; unpaved or semi-prepared runways; flight test development; C-17; A400M

引言

简易跑道一般指道面没有经过铺砌，或仅做简单处理即可起降飞机的跑道，道面材料可能为草皮、砂砾、土壤、碎石、沙质、沥青、珊瑚、金属铺板或上述材料的组合，其中草皮、砂砾、土壤三种道面较为常见。相对永备机场的跑道，其长度较短、宽度较窄、道面强度较低且道面环境复杂。简易跑道具有服务周期短，保障任务与保障机型相对固定等特点[1]，可承担应急军事活动或部队应急培训等任务。在简易跑道上起降是现代运输机适应条件复杂的跑道环境，在最短时间内迅速完成物资调配、战场投送、截击、轰炸等战略战术任务，并提高机动灵活性和自身生存力的一项基本性能。

简易跑道运行的特殊性、复杂性及困难程度决定了飞机的简易跑道适应性必须通过试飞验证，而我国在简易跑道试飞领域的技术储备相对薄弱。瞬息万变的国际形势要求我们必须加快相关研究，以提升我国武器装备的全面作战能力。

1 国外运输机简易跑道试飞进展

国外十分重视军用运输机在简易跑道的使用能力。如美国C-17、C-130、C-5A、V-22，欧洲A400M、CN235等，在飞机设计阶段均考虑了简易跑道适应性，且在试飞过程中对在简易跑道的使用能力进行了充分的试验验证。

美军C-17、C-130飞机在作战中已常态化使用。例如，在阿富汗战争中，美军的C-17飞机频繁在简易跑道上使用，见图1。

C-17在稳定简易跑道上降落的能力已经多次在洛杉矶的联合预备培训中心（JRTC）的“水泥盖”跑道上进行验证。JRTC有三条稳定的跑道，最初是为C-130建造的，随后升级为符合C-17使用标准。升级10英寸厚度的表层使用了3～4%的普通硅酸盐水泥。主要的水泥封盖跑道，已有超过100架C-17完成着陆（跑道超过200次通行），并且装载M1坦克也无需在跑道、滑行道上进行维护。此外，项目团队亦对该型飞机在不稳定简易跑道上持续运行的挑战进行了分析研究[2]。基于对该型飞机的简易跑道运行验证，美国空军制定了針对C-17简易跑道建设的单独标准《C-17飞机应急作战简易跑道的设计，维护和评估标准（1997）》，目的是为涉及C-17应急起降和训练的简易跑道规划设计、建造、评估和维护的国防组织提供标准和指南[3]。

1965年，道格拉斯飞机公司对具有多轮多支柱起落架的C-5A验证机在半铺砌跑道运行时的地面载荷进行了详细研究。道面强度指标为CBR9，漂浮性要求为在特定简易跑道修复之前能够完成100次着陆、滑行和起飞循环。建立了起落架着陆、离散不平度滑行、连续统计不平度滑行、刹车、稳定转弯、回转、刹车等工况下的地面载荷设计准则及载荷分析方法[4]。

欧洲的C-160、CN235、C-295、C-27J（G222）、A400M等飞机在试飞过程同样进行了充分的简易跑道验证。A400M飞机在西班牙的Ablitas进行了碎石跑道起降试验，在法国？魪cury进行了草地跑道的起降试验，在英国伍德布里奇完成沙质跑道上起降能力试验，见图2，截至2016年8月24日，完成了在简易跑道起降的试飞验证。

在民用航空领域，国外已有的与简易跑道相关的咨询通告如下：

（1）FAA已经对若干运输类飞机在各种未铺砌跑道（包括草皮跑道、土跑道和碎石跑道）上运行完成合格审定，已发布的咨询通告AC25-7C中“第8章 适航性：其他项目 232.未铺砌跑道上的起飞和着陆”提供了有关飞机在未铺砌跑道上运行合格审定的通用指导材料，反映了在这些合格审定过程中所取得的经验和形成的政策[5]。

（2）加拿大运输部发布的咨询通告AC NO.300-004

《未铺砌跑道》中提供了未铺砌跑道剪切强度的测量与报告方法，以及碎石铺面跑道及带状草皮铺面着陆区状态检查评估、维护及维修的建议措施，可用于飞机在未铺砌跑道开展试验及正常起降时的道面保障[6]。

2 运输机简易跑道试飞关键技术

运输机简易跑道试飞技术研究的重点在于简易跑道环境与常规跑道环境的差异以及这种差异对飞机运行带来的影响评估、模拟与验证，其中关键技术主要有基于模型的运输机简易跑道运行安全性评估技术、基于铺砌跑道的简易跑道关键特征模拟技术、简易跑道条件下的起落架载荷和摆振稳定性分析与验证技术、针对简易跑道环境影响的运输机驾驶技术、飞机在简易跑道环境中运行时的防护技术以及基于关键指标在线辨识的简易跑道起降性能预测技术等。

2.1 基于模型的运输机简易跑道运行安全性评估技术

简易跑道承载能力差、表面不平整、道面摩擦特性复杂，加之大型运输机载重大，这些因素使得大型运输机在简易跑道起降危险性极高，因此在试飞设计阶段、飞行试验阶段、使用阶段均需开展不同角度及程度的安全性评估，以保证飞机安全性及使用性。

建立飞机-简易跑道相互作用的动力学模型，并开展基于模型的运输机简易跑道试验及运行安全评估，可以预测飞机及跑道相互作用，评估跑道能否满足飞机的起降要求，确定开始试验的状态，能极大减少试验周期并缓解飞行试验风险。根据模拟飞机起降对跑道损坏程度，预测飞机简易跑道运行特性，可以为简易跑道使用提供安全余量预测并支撑跑道维护决策。

2.2 基于铺砌跑道的简易跑道关键特征模拟技术

相比于常规铺砌跑道，简易跑道对飞机性能、起落架载荷及摆振稳定性等的影响与多个因素有关，如道面强度、不平整度、摩擦特性、道面变形等，在简易跑道试飞时，多个因素同时作用，很难分析单个因素对飞机运行的影响，因此在常规铺砌跑道环境下进行简易跑道关键特征及指标模拟并开展验证，有助于确定每个因素的独立影响规律，不仅能够验证建模仿真技术与结果，且能为简易跑道试飞设计及试飞方法研究提供依据，以便循序渐进开展试验，有效降低真实简易跑道环境试飞时的风险。例如，设置凸起的激励板可以模拟道面不平整度，设置不平衡胎压可以一定程度模拟道面变形的影响等。

2.3 简易跑道条件下的起落架载荷和摆振稳定性分析与验证技术

飞机在简易跑道起飞、着陆时，起落架使用载荷及静态、动态不稳定性会明显增大，降低了起落架系统使用安全性。此外，飞机在简易跑道起降时通常会降低轮胎压力以提高在软质跑道上的通过性，同时道面不平整度会对起落架形成额外激励，这些因素都增大了起落架摆振的可能性及风险性。相比于常规跑道条件下的起落架载荷与摆振稳定性分析与试验，简易跑道条件下的影响因素更多且更复杂，需开展针对性研究。

该项关键技术通过起落架动力学建模和简易跑道表面摩擦特性、道面强度及不平度建模，研究起落架与简易跑道相互作用载荷的仿真分析技术，探索起落架载荷和摆振稳定性分析与验证技术。

2.4 针对简易跑道环境影响的运输机驾驶技术

运输机在简易跑道上滑行、起飞、着陆过程与在常规跑道上运行具有完全不同的受力特点和动态响应，因此飞行员操纵、关键子系统使用方法及限制均有差别。因此，有必要分析简易跑道环境对运输机驾驶技术的影响。

该项关键技术通过理论分析、建模仿真、模拟器飞行等方式研究运输机简易跑道试飞时不同试验科目的试飞员操纵方法及程序，并建立简易跑道环境中的运输机驾驶技术指南，以服务于简易跑道试飞及部队简易跑道能力建设。

2.5 飞机在简易跑道环境中运行时的防护技术

飞机在简易跑道环境中运行时，由于道面松散、起落架喷溅等因素，试验机极易遭受损伤，可能遭受损伤的子系统/关键部位有动力装置、环控系统、机身下表面、机腹下部的子系统和结构，包括机身及起落架舱门的表面漆层、天线、防撞灯、排气孔和排水孔、主起落架内侧舱门、主起落架轮轴和支柱、主起落架舱结构、主起落架舱内的冲压空气进气孔、电缆等[7]。在飞行试验阶段，部分测试设备或传感器等亦可能遭受损伤。

为了确保飞机在简易跑道环境中能够安全运行或顺利完成试飞验证，同时尽量降低飞机维护的人力、物力、财力及时间消耗，研究飞机在简易跑道环境中运行时的受损形式并建立防護要求至关重要。

该项关键技术通过理论评估、建模仿真、飞行试验等途径开展，确定飞机在简易跑道环境中运行/试验时的易受损部位、受损形式及受损程度，建立防护要求并给出防护设备设计准则建议，为防护设备的研制与使用提供支撑。

2.6 基于关键指标在线辨识的简易跑道起降性能预测技术

相比于常规铺砌跑道，简易跑道条件下影响飞机起降性能的影响因素较多且随着飞机通行而不断变化，不确定性高且很难通过传统的理论计算方法进行较为准确的预先评估，如道面变形对摩擦特性的影响、刹车用量对道面变形的影响等。从降低飞机在简易跑道运行时冲出跑道的风险、减小试飞员或飞行员的心理负担的角度出发，必须研究适用于简易跑道条件的起降性能预测技术。

该项关键技术通过分析简易跑道环境中影响起降性能的主要因素，研究并建立关键指标，同时建立基于道面条件测量与在线辨识的关键指标预测方法与起降性能预测模型，在起飞、着陆前根据道面条件测量结果、滑行过程中的关键指标辨识结果进行性能预测，为飞行员提供起飞滑跑距离、中止起飞距离或着陆滑跑距离预测结果[8]。

3 运输机简易跑道试飞及使用前景展望

3.1 运输机简易跑道试飞展望

简易跑道试飞的目标是验证飞机在简易跑道环境中的适应性，涵盖飞行性能、起落架载荷与关键子系统适应能力等，其试验道面与试验内容取决于飞机在特定简易跑道条件下的使用任务需求与适应性设计指标，属于面向任务的试飞设计与验证范畴。

以C-17军用运输机相对完整的简易跑道试飞验证为例，美军在进行C-17飞机简易跑道起降能力试验时，以“全球到达”为目标，先后进行了未铺砌和粗糙跑道的研制测试与评估试验、第一阶段简易跑道运行试验、AM-2铝合金跑道试验、稳定的简易跑道试验、不稳定的简易跑道试验等[2]。其中，第一阶段简易跑道运行试验选取了分别位于加利福尼亚州的亨特·利格特堡、威斯康辛州的麦科堡、阿肯色州的查菲堡和位于加利福尼亚州爱德华兹空军基地内罗杰斯干湖床上的两处着陆区作为试验跑道，采集的试验数据能够代表全球大部分的泥土类型，试验评估了C-17飞机在不同泥土类型、不同气候条件、不同土壤含水量和不同着陆区劣化状况下简易跑道起降试验飞机的起飞和着陆性能，测量泥土抗剪能力、确定着陆区劣化率、表面不平整度、松散度和跑道摩擦系数等[9-11]。

3.2 运输机简易跑道使用前景展望

军用运输机简易跑道使用能力不仅能够提升部队作战能力、快速反应能力和战时快速恢复能力，且有利于在一定程度实现国防力量分散化，同时能够极大拓展其使用范围，如执行抗震救灾、抢险救援、抗疫保障等特殊任务。

民用运输机在简易跑道环境中的使用能力不仅能够降低航空公司运营航线对铺砌跑道的依赖，拓展飞机的覆盖范围，亦能从一定程度改善地形复杂地区交通不便等现状。

以美军简易跑道使用现状为例，根据美国国防规划指导要求，美国陆军和空军联合实施的战略旅级部队空运具有进入非许可环境的能力。C-17飞机既具备战略空运空投能力，又具备空中加油能力和优秀的起降能力，成为美军战略旅级部队空运的首选飞机。按照美军构想，C-17飞机具备绕过中间基地将超大型货物运送到全球任何一处的前线小型机场和简易跑道的直接运输能力，这也是其超越C-5、C-130、B-747等运输机的最主要的优势，是实现美国“全球快速反应”的军事战略的重要手段[2]。

4 结束语

本文研究的国外运输机简易跑道试飞发展情况对建设简易跑道试验条件、开展简易跑道试飞、构建简易跑道使用能力等提供了宝贵的参考价值，剖析的简易跑道试飞关键技术决定了运输机能否顺利开展简易跑道适应性验证、能否形成简易跑道起降能力以及能否安全执行战术运输任务，研究成果为运输机简易跑道试飞提供了有效支撑，同时可为飞机在简易跑道环境中运行与维护、跑道维护、飞行员训练等提供技术保障。

参考文献：

[1]谭滔，蔡良才，刘晓军，等.简易机场土質跑道设计方法[J].空军工程大学学报（自然科学版），2012，13（6）：11-14.

[2]Hansen， Erik W. Evaluating the C-17 Semi-Prepared Runway Capability-An Off-Road Map [D]. Air Force Institute of Technology， 2002.

[3]Criteria for Design， Maintenance， and Evaluation of Semi-Prepared Airfields for Contingency Operations of the C-17 Aircraft[Z]. Engineering Technical Letter 97-9. AFCESA/CES， 1997.

[4]Robert A.W. Brown. C-5A unsurfaced taxi and off-load demonstrations[C]. AIAA-81-2439， Las Vegas， 1981.

[5]AC 300-004 Unpaved Runway Surfaces[S]. Transport Canada， 2016，02.

[6]AC 25-7C Flight Test Guide For Certification Of Transport Category Airplanes[S]. Federal Aviation Administration， 2012，10.

[7]Sharanpal （Paul） Sikand， John Carr， Mark Kuntavanish. Protection of the C-17 Airplane during Semi Prepared Runway Operations[J]. Journal of Aerospace， Volume 3， Issue 1， 2009.

[8]Jeb S. Tingle， P.E.， Gregory J. Norwood， P.E.， Brian Cotter. Prediction of Runway Condition Rating（RCR） on Unpaved Runways Using Continuous Friction Measurement Equipment[C]. Transportation Research Board 96th Annual Meeting， 2017.

[9]LtCol Stephen D. Martin， Jr.， Major Jacqueline D. van Ovost， Major Robert S. Baerst. C-17 Dirt Runway Performance Testing[Z]. U.S. Air Force，1997.

[10]Major Aaron A. Tucker， Major Christopher E. Childress， Lieutenant Colonel Robert J. Poremski. Flying C-17 Airfield Performance Test in Dirt and Mud Landing Zones[C]. 2010 SETP.

[11]Major Aaron A. Tucker， Major Christopher E. Childress， Lieutenant Colonel Robert J. Poremski. Getting Dirty： Testing C-17 Airfield Performance in Dirt and Mud Landing Zones[J]. AIAA 2009-1712. U.S. Air Force T&E Days 2009.