飞机载重过重时对飞机的影响（飞机轮胎为什么能承受300吨）

飞机下落加速度 飞机轮胎速度限制起飞重量

波音737-800机型，尤其是推力较大（26K）的飞机在诸如昆明此类的高原机场起飞时，因机场跑道长，机场净空条件很好，改进爬升后的起飞重量通常受到轮胎速度的限制，在接近轮胎限制重量起飞时，抬轮时如操作不当容易超速。下面为翻译的波音JTPM手册中的一篇关于轮胎速度限制起飞重量的文章，供国内同行参考。

一、介绍

限制飞机更大允许起飞重量的各个因素中，有一个因素没有场长或者障碍物限制那么明显，就是轮胎在起飞和着陆过程中所能承受的应力和温度的能力。

尤其是轮胎对于轮胎转动速率非常敏感，因为转动速率直接影响到轮胎内部所承受的应力的大小。过大的应力能够使轮胎结构失效并能产生损坏飞机或者影响方向控制的后果。

我们需要了解什么导致了轮胎内部应力的产生，轮胎能够承受多少应力以及如何计算应力对更大允许起飞重量的影响。

感谢编此章节内容准备过程中Good Year杂志的帮助。他们的一篇文章《飞机轮胎保养和维修》包含了很多有用的信息，我们推荐去阅读一下。你也可以在FAA发布的咨询通告20-97B（标题为《飞机轮胎维护和操作程序》）中找到相关信息。

二、轮胎的物理机理

很自然会认为飞机轮胎和汽车和卡车的轮胎本质上是一样，但实际上他们完全不同。虽然在几何外形上看很相似，但其他很多特性非常不同。

1、飞机轮胎设计用来承受比汽车更高的载荷。汽车轮胎的承受载荷的等级在每个轮胎1000磅-2000磅之间，而飞机每只轮胎能够承受比汽车数倍的载荷。例如，一架满载的747-400（更大认证的起飞重量超过850000磅），几乎全部的重量都要靠16个主起落架轮胎承受。

2、轮胎压强明显不同。传统汽车轮胎的胎压在30-40磅/平方英寸，飞机胎压根据重量和温度不同略有调整，大约在200磅/平方英寸。

3、现在的商用喷气客机上的轮胎设计速度在225-235MPH之间，而汽车轮胎速度仅仅刚超过100MPH。

4、汽车轮胎对于飞机轮胎来说被设计的不容易变形，“变形”这个词意味着承载下物体的形变大小，可以用百分比来表示。你可以认为是轮胎接触地面的部分的半径与轮胎转动时上部（不承载）的半径的比值。飞机轮胎的变形率在32%-35%之间，粗略的是汽车和卡车轮胎变形率的两倍。

机轮和轮胎的转速可能会在某些条件下特别高，影响了起落架轮胎的物理限制。高速起飞情况能够导致轮胎高转速，从而轮胎内部结构的温度和应力也特别大。当应力和温度超过极限则会导致轮胎失效。

轮胎失效可以导致轮胎碎片被高速向外抛出，这些高动能的剖出碎片撞击到飞机结果能够导致结构损坏。

三、轮胎内部应力

轮胎自身承受的应力出于很多不同的原因非常复杂，检查这些原因非常有趣并且有用。

1、向心力

结构内部的部分应力来自于轮胎的转动。

机轮和轮胎高速转动带来的核心问题就是向心力。我们已经在其他章节讨论过飞机在带坡度转弯过程中的向心力问题。向心力可以如下计算

方程1

centrifugal force向心力

m质量

r半径

ω转速

既然向心力是转速的平方的函数，而转速跟飞机在跑道上的速度有直接关系，向心力随着速度的增加快速升高。

方程1可以写成不同的形式，用来表达加速度的大小，而不是用磅或公斤。牛顿第二运动定律 a=F/m，，向心加速度可以写成

方程2

centrifugal acceleration向心加速度

如果轮胎的半径用英寸，转速用弧度/秒来表示，方程2可以得到一个用英寸/秒/秒的加速度值。

如果轮胎的直径是30英寸，则它的周长为30π，或者94.25英寸。如果轮胎在200MPH的速度转动，相当于3520英寸/秒，也就是说轮胎在37.35圈/秒的速度下转动。一圈每秒就是2π弧度每秒，那么轮胎的转速就是234.67弧度/秒，向心加速度为826026.7英寸/秒/秒。

那相当于多个gee的加速度呢？1g是32.174X12或者386.09英寸/秒/秒，这样用半径是15英寸的轮胎意味着轮胎的花纹在经受2139 gee的力。

2、张力

随着向心力的增加，轮胎的整个圆周都在承受着向外的力，这种力的趋势是增加轮胎的半径，任何半径的增加趋势都会导致轮胎周长的增加趋势，这样轮胎横截面就会产生一个张力。

轮胎速度越大，张力越大。实际上轮胎的张力是轮胎转速平方和轮胎半径平方的函数。

3、变形

你可能会想起前边我们说过轮胎跟地面接触的部分会产生变形，半径比未承载的半径会减少到35%。

在上图中，粗黑水平线表示的是道面，轮胎以逆时针旋转，虚线表示的弧为轮胎不被作用于机轮轴线向下的力压缩的自然外轮廓。

随着轮胎旋转离开地面接触区域，轮胎离开道面的点为X，在这个点轮胎半径回到正常形状。因为高转速和高速度，回到正常形状会在极其小的时间间隔内完成。

由于轮胎向心力特别大，在开始轮胎回到正常形状后不会停止，而是超出一些，这样会产生一个类似于波的轮胎圆周畸变，也叫牵引波，这种波在消失之前会持续几个周期。

这种由牵引波引起的非常快速的半径周期变化可以在轮胎内部产生一个额外的应力。由于高速滑跑时的轮胎高转速，这种波振超过10000循环/秒，伴随非常高的加速度。

四、轮胎内部温度

一个对轮胎有害的因素是由于变形产生的热量。实际上，热量比轮胎自身旋转带来的应力有更大的坏处。热量不只产生于起飞，还产生于滑行，在一个大的机场，滑行距离可能在数英里。

热量取决于滑行速度，也取决于轮胎的变形量（跟轮胎变形压力有关），充气不足的轮胎比充气足的轮胎经历的温度上升要高；高于推荐的滑行速度也会导致更多的温度上升。

轮胎的橡胶是非常好的特热体，散热性也很差。即使使用合理的滑行速度和合适的轮胎变形，滑跑和起飞过程中，轮胎的温度也会稳定的上升。温度在轮胎和机轮的结合点处达到更高，滑行中会升温超过150F。

这些热量会影响轮胎横截面尼龙织布的强度，也会影响轮胎橡胶的强度，这些影响会导致对轮胎的损坏。

五、着陆时的轮胎应力和温度

虽然本章节的目的是讨论轮胎对起飞的影响，但应该指出，轮胎在着陆时和滑入时会经历同样的应力和温度。

六、轮胎速度等级

为了减少或杜绝起飞着陆过程中轮胎失效，所有的飞机轮胎都有一个更大的允许速度。这些速度等级是轮胎厂商根据轮胎的设计特点给出的。轮胎制造厂商被要求必须验证他们的轮胎在更大速度下转动承受应力的能力。

轮胎速度等级的单位是MPH(英里/小时)，我们必须清楚，单位是英里/小时，而不是海里/小时（节）。如果你想知道节是多少，需要把英里/小时除以1.15。

早期的波音喷气飞机使用更大200MPH速度的轮胎，随着时间的推移，飞机和发动机允许更大的起飞重量。尽管空气动力的改进，但飞机的速度还是或多或少的增加，因为速度的增加，210，225，235（目前）的轮胎陆续被发展出来。到目前，还没有商用运输机使用超过235MPH的轮胎。

因为有些飞机有不同的轮胎速度选项，当运行起飞分析时，必须知道使用的是哪种轮胎。

作为部分验证程序，轮胎制造厂商被要求在测力计上验证轮胎的速度能力。

七、轮胎速度限制重量

飞机轮胎有更大允许的运行速度，那么这些速度限制如何影响飞机更大允许起飞重量的呢？

你知道飞机的起飞速度与重量、压力高度、温度、襟翼设定直接相关。有时候有必要限制起飞重量来避免超过轮胎速度限制。

在哪个点是飞机起飞时轮胎速度更大的点呢？非常简单，轮胎速度更大的点发生在离地速度时，更确切的说，轮胎转速更大的点发生在全发起飞离地速度时。全发起飞在相同的VR速度抬轮，全发有更大的加速度，因为从抬轮到离地有更大的速度增量，我们在计算轮胎速度限制时考虑全发起飞。

飞机离地之后，轮胎转速降低-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。

所以我们要确保Vlof不会超过轮胎速度限制。这里有一个最重要的事情需要记住我们需要的是离地时的真地速，因为轮胎转速受轮胎在地面滑跑时的地速决定。当没有风时，真地速和真空速相等；另一方面，顺风使得真地速大于真空速，顶风使得真地速小于真空速。

什么样的条件会导致离地时的真地速更大？

1、大起飞重量

2、高压力高度和温度

3、小襟翼起飞

4、顺风

之一条很明显，大的起飞重量需要大的速度获得起飞需要的升力。第二条是大气条件，高压力高度产生更小的密度比，真空速更大；记住TAS和EAS之间的转换方程。

高温意味着θ更高，因为θ=T/T0高压力高度意味着δ更小，因为δ=P/P0；所以任何一个条件或者意味着更差，更大的真空速。有些很出名的高原-高温地区包括

1、墨西哥城，7349英尺，4月份温度可达27度，密度比0.7310。

2、Albuquerque，新墨西哥州，美国，5312英尺，温度可达33度，密度比0.7740。

3、 ，11975英尺，6月份，最热的季节，QNH=29.92时，平均温度23摄氏度，密度比0.6194

4、La Paz，11942英尺，，更高温度20度时，密度比0.6257。

还有很多的城市温度会比以上列举的更高，比如Phoenix， Arizona and Jeddah， Saudi Arabia，他们的密度比高于上述的城市，主要因为压力高度较低。例如Phoenix，1117英尺，温度45度时，密度比为0.8697。

八、不带系数风的使用

在之前的章节中你已经知道计算起飞重量时包括风的因素，FAR25.105(d)要求我们使用带系数的风

在预计的飞机运行限制之内，起飞数据必须包括以下的风修正系数

（1）不超过50%的顶风分量，不低于150%的顺风分量。

我们计算例如场长限制时，如果报告的风是10节顶风，计算时需要使用5节顶风（一半）。对于顺风，需要150%，所以对于10节顺风，计算限制重量时需要使用15节顺风。

如果你使用AFM手册或者AFM-DPI，输入图表或DPI报告的风速，图表和软件会做隐形的系数修正。如果报告风是10节顶风，你应该输入10节顶风，你的计算重量会是基于5节的。

我们需要注意的是唯一的使用带系数的风的例外是计算轮胎速度限制更大起飞重量。你会发现在接下来的AFM图表中，风的因素的线是直线，表示风是不带系数的。

为什么有这个不同呢？说实话，我们也不清楚。如果你知道原因，请和我们分享一下，我们已经咨询过很多航空工业中有影响的人，他们也都不清楚。我们会继续检查和修订这个章节，如果我们找到答案之后。，我们会假设这个例外的原因在时间的沙子中丢失了。

九、轮胎速度限制发布

1、AFM手册

在有AFM-DPI之前，轮胎速度限制的图表被发布在AFM手册之中，例子如下

在有AFM-DPI软件之后，轮胎限制数据可以用DPI进行计算。

2、FPPM手册

FPPM手册中同样发布了轮胎速度限制数据。

3、STAS和BPS软件（张春华/编译）

飞机轮胎为什么能承受300吨 运20运输机起飞重量多少