客机水面迫降时的最佳姿态

客机水面迫降时的最佳姿态基于Mathematica8.0软件的研究报告一.引言客机的飞行安全是当今航天时代必不可忽视的一个问题。在飞机飞行过程中，我们不能完全保证其飞行的安全性，因此研究当飞机在发生意外或遇到某些紧急情况必须要在水面迫降时以何种姿态降落时可将损失降到最小具有十分重大的意义。在飞机水面降落过程的中，机身结构所受压力的大小与其降落速度、飞行速度以及降落仰角密切相关，因此我们需要建立一个合理的数学模型来模拟其整个降落过程并找到最佳的状态参量。飞机、直升机在近海或跨海使用越来越频繁，发生水上迫降和坠毁事故也逐渐增多。为此各国民航部门都把水上迫降安全性作为颁发飞机适航证的重点考察内容之一，我国规范也做了明确的要求［1］。文献［2］对1959年到1991年以来发生的26起商用飞机水上事故做了统计，通过对机体结构的完整性、破坏部位、座舱完整性等的观察，分析了造成伤害和死亡的主要因素，指出飞机水上迫降安全至少需要考虑两方面因素:飞机着水姿态和结构强度。本文通过对客机紧急安全迫降所采取的最佳姿态建立了一个数学模型，合理的模拟出客机迫降时的状态，并通过流体动力学以及牛顿撞击理论找到客机迫降的最佳姿态。这个数学模型简单的来说，是通过用Mathematic软件画出客机迫降于水面所受到的冲击力力与客机迫降时的机身仰角即机身与水平面的夹角的曲线二维图，接着根据这些图找出最低点，从而得到最低点所对应的机身仰角。通过下面的计算与推论，可以证明该机身仰角是该客机迫降于水面时最适宜的角度。至于怎样得到客机迫降于水面所受到的冲击力与客机迫降时的机身仰角的曲线二维图，是通过从网上查到的公式以及有关参考书的公式还有我们自己已学的的公式一步一步推出来的，再借助Mathematica软件得出该图。关键词：飞机着水姿态结构强度流体动力学牛顿撞击理论冲击力与机身仰角的曲线二维图

二.经典案例再现2009年1月15日下午（美国东部时间），USAirways所属第1549航班（空中客车A320客机）在起飞后不久在纽约哈德逊河紧急迫降。经及时救助，机上155人（其中包括两名机师和三名乘务人员）在飞机沉没之前全部获救。该起事故造成78人受伤，无人死亡。这架客机从纽约长岛拉瓜迪亚机场起飞约90秒后遭飞鸟撞击，导致两个发动机损坏。机长萨伦伯格凭借着出色的驾驶技术和冷静的判断使飞机迫降在哈德逊河河面。而飞机上的乘客在乘务员的指挥下，有秩序地逃出紧急舱门并全部获救。视频飞机在迫降过程中不会被肢解。飞机迫降时不会撞到船舶及建筑物。飞机迫降后遇难人员会被及时救援。B.模型符号说明D机身的高度L机身的宽度Vx0客机迫降时的飞行速度Vy0客机迫降时的降落速度Vx飞机在水中某一时刻的飞行速度Vy飞机在水中某一时刻的降落速度k水的密度n客机速度方向与水平面夹角m客机机身的仰角ax客机在水中的水平加速度ay客机在水中的竖直加速度h客机某一时刻的落水深度S客机机身与水的接触面枳Sx《一一在水平方向上的投影Sys在竖直方向上的投影Fx客机受到的水平冲击力Fy客机受到的竖直冲击力C.案例模型分析为了不发生翻转，飞机的两翼应保持水平。所以只考虑飞机以何种仰角迫降即可。飞机迫降水面的时候会受到很大的冲击力，如何使该冲击力减小是问题的核心。为安全迫降，在迫降前应尽可能减小飞机的载重，收起起落架，放下襟翼。查阅文献［3］可知飞机在迫降的0.5秒之内会受到极大的冲击力，故可分析在前0.5秒内受到冲击力的情况即可。如下图。D.案例模型求解0.00O.O50.100450.200.25f/s飞机迫降时受到的压强直D.案例模型求解现在，先假设飞机迫降时的飞行速度如下表:表2假定情速况杖"1234飞行速度(m/s)100120140160下落速度(m/s)20252628

飞机迫降后撞击水面产生很大的冲击力F又下式得到；F=Fx-sina+Fy-cosa其中由牛顿撞击理论［4］可得：FX=p^VX2.SY・Sin2^F=p・V2•Sx•Sin2pyy根据WinnandKoIhman的研究成果［5］，水上迫降过程中可取飞机加速度随时间变化的表达式，如下a=mtxa=ntym和n分别为表征纵向(x向)和法向(y向)加速度线性增加幅度的特征值。由实验数据得m=180n=10图3飞机水I图3飞机水I由降落I为计算模型y=5adt;当t时刻可知飞机落水深度为h=jt(七0+ayt)dt当t时刻可知飞机落水深度为h=jt(七0+ayt)dt0飞机没入水中的面积为s=h・〃sina其中sx=s•COSasy=s•sina下面取其中的两种情况借助Mathmatica软件进行求解可得F=3700*(5*tA2+Vy0)2*(5*t2+t*Vy0)*CosM*CotM*Sin

[2ArcTan[Vy0/Vx0]]+3700*(90*tA2+Vx0)2*(5*t2+t*Vy0)*Sin[]*Sin[2ArcTan[Vy0/Vx0]]解决时可以以其中的两种情况进行求解。取假定情况2时：m可以取t为不同值时，有Mathmatic软件画出F--当t=0.1s时：此时m为12.0当t=0.2s时：此时m为12.6当t=0.25s时：1.21081.0108此时m为13.1°当t=0.3s时：此时m为12.9°当t=0.4s时：此时m为12.6°当t=0.5s时：…m，此时为13.4°由各图可知当"由各图可知当"二12.8。时，飞机受到的压力最小并且小于飞机所能承受的最大压力。取假定情况3时当取假定情况3时当t=0.1s时：图10tm,此时为11.4当t=0.2s时：图11此时m为11.4°当t=0.25s时：图12此时m为11.4°当t=0.3s时：图13此时m为11.4当t=0.4s时：0.20.4图14此时°为12.0当t=0.5s时：图15…m，此时为12.9°表4由各图可知当"=11.5°时，飞机受到的压力最小，并且小于飞机所能承受的最大压力。表4现在对两种假定的结果进行分析可得下表:假定1表3t(s)m12.0°12.6°13.1°12.9°12.6°13.4°t(s)m11.4°11.4°11.4°11.4°12.0°12.9°假定2模型结果与分析由以上的求解过程可以看出飞机出现故障需要迫降时首先要保持两翼的水平，然后要控制好降落速度。否则因为速度过大直接造成飞机的解体。更重要的是要保持好飞机迫降的角度由本文的研究结果可知当飞机迫降仰角m大约为12.0。时，飞机所受的压力最小，可以安全迫降。模型分析和推广在本模型中对客机迫降水面进行了一些必要的假设，基本上可以符合数学模型建立的要求，而且最终结果比较合乎实际情况，也检验了该模型创建的合理性，鉴于作者水平有限，考虑的现实因素不够多，忽略了客机迫降过程中某些因素如空气阻力的影响。四.总结结论在飞机紧急迫降于水面的时候，飞机应采取最佳姿态入水。因此，飞机应采取大襟翼慢车尽可能降低地速和下沉率，不放起落架，姿态应该采取大约12°的仰角，以翼根部位压入水面进入。注意事项如果是乘客，飞机迫降时由于压差变化大，会自动在头顶服务面板打开氧气面罩，氧气面罩是自动产生氧气的，大概能维持30分钟的不间断供氧。另外，系好安全带，如果是靠走廊的座位，注意头顶不要被掉落下的行李砸到头。将座位调整到原始位置，双手护头坐好。在大翼处有2到4个紧急逃生门，飞机落地后可以从内部打开，自动释放救生滑梯包。如果在海中迫降，在坐椅下有橙色救生衣。有些机型还配备紧急救生船（气的）。的特点2）海上风大浪高3）海水温度低4）缺乏淡水5）动物的危害等等。但是我们需要冷静下来，积极地去解决问题，绝不能活在恐惧当中。美国空中客车A320客机机长切斯利舒伦伯格正是给我们做出了榜样！切斯利舒伦伯格他创造了“哈德逊河上的奇迹”。纽约市长布隆伯格在新闻发布会上说：“显然机长在河面上降落时表现极为专业，然后他还确认了是否每位乘客都已经离开，他是最后一个离开飞机的人。”布隆伯格透露，切斯利舒伦伯格曾两次在飞机客舱里巡视，以确认没有乘客被遗留在正在沉入河中的飞机上。纽约州长大卫帕特森也表示，机组人员和救援人员的杰出表现堪称“哈德逊河上的奇迹”。参考文献[1]CCAR2252R2,中国民用航空条例第25卷[S]CCAR2252R2,Chinacivilaviationrules,Vol.25[S](inChi2nese)AmitAP,RichardPG.Transportwaterimpactandditchingperformance,finalreport[R].DOT/FAA/AR295/54,1996民用飞机水上迫降分析模型和数值仿真/cjfdsearch/pdfdownloadnew.asp?encode=gb&nettype=cnet&zt=C031&filename=sZmQmN1aWNUTKlnQllmdrxWNXNnW2JXYBRXaItiQyRVdNVVdjFldOxmTKxWewFWWSZ0TQJXW3RUZtdHcwBXN4QmU2k2Sm9CMsd3ZmtmSIlDSVllNTVHWDZ0bENGR1JUaxkGdaZ0VCVDavpFZBhUc4AVNCtCSjN1M&doi=CNKI:SUN:NJHK.0.2010-03-028&m=mTxt0VSFmTYR3N0VEZFJUOIdkUmFXOENkbzhUTKZFOiFkRnNEazR1T=0TPn1WdhZHZY12VvoFNrEmQzRVNntCeYlUQq9yLYdETh9WRIV0TnV&filetitle=%c3%f1%d3%c3%b7%c9%bb%fa%cb%ae%c9%cf%c6%c8%bd%b5%b7%d6%ce%f6%c4%a3%d0%cd%ba%cd%ca%fd%d6%b5%b7%c2%d5%e6&p=CJFQ&cflag=&pager=130-1