1问题的提出 随着社会经济的快速发展，空中交通逐步走向大众化，例如在天津机场每周起降的飞机为1400架次，重庆机场高峰期每周起降的飞机为2200架次，而北京机场每日起降的飞机即高达1000余架次，平均每小时起降约42架次。在这种情况下如何保证飞机的安全起飞和着陆成为人们日益关注的问题之一。 由于机械事故、天气恶劣、跑道异常、驾驶员操作失误等原因飞机冲出跑道是飞机出现事故最典型的形式之一。因此，研究在飞机冲出跑道的情况下如何有效地阻滞飞机，并且确保飞机的安全性（如飞机的重要构件起落架等不受到破坏），确保机上乘客的安全性和舒适性，成为航空地面设备研究领域的热点问题。 现在正常投入使用的飞机阻滞系统分为三种：拦阻网[8][10]、拦阻索[8][9]和工程材料阻滞系统（Engineered Material Arresting System，缩写EMAS）。在本报告中我们称其为飞机越界阻滞系统（Aircraft Overrun Arresting System，缩写AOAS）由于拦阻网和拦阻索在对飞机减速的过程中造成的冲击力非常大，飞机和机上乘客承受的过载很大，民用客机的机体结构和普通乘客都难以承受，所以只适用于军用小型飞机，而AOAS系统则是适用于大型民用航空系统的专用地面设备。 2EMAS系统简介[1][2][3][6] EMAS系统主要由安装在机场跑道末端的轻质混凝土块组成（如图1.1所示）。其理想的长度大约是183m（美国联邦航空局规定跑道安全区的标准长度约300m，但是如果跑道末端的空间不足，约45m的EMAS系统也可以有效地发挥作用）。每个EMAS系统的阻滞床都要利用计算机仿真软件根据跑道的条件定制设计。在EMAS系统阻滞床的设计过程中，跑道末端现有空间的长度、飞机型号、土壤和天气条件等都要考虑到。EMAS系统阻滞区铺设的轻质混凝土块的强度要根据飞机滑行时的要求决定。 EMAS系统阻滞区铺设的轻质混凝土块的高度是变化的（如图1.2所示），在开始铺设的轻质混凝土块的高度比较低，在后面逐渐达到最大高度。当飞机越界离开跑道，机轮经过斜面引导区后，进入阻滞床，与易压碎的轻质混凝土碰撞（如图1.3所示）。随着飞机机轮持续破坏轻质混凝土块，其向前的动能被混凝土材料耗散，从而使飞机减速并逐渐平稳、安全地停止下来。在整个过程中，飞机和乘客承受的过载仅为0.6g，远小于一般人可以承受的过载3g~4g，从而最大程度保证飞机和乘客的安全，减小或消除因事故所带来的人身与经济损失。如果存在损伤，一般情况下也仅是飞机起落架有轻微损伤，事后只要替换损伤的轻质混凝土块，阻滞床就可以得到修复并投入使用。同时，随着应对飞机滑出跑道有了专门的设备，在飞机冲进EMAS系统后1~2个小时即可将飞机拖出，迅速消除事故现场的障碍，使跑道关闭的时间缩短，大大降低机场因事故发生的停飞影响，提高了跑道的使用效率。 3研究发展现状 3.1 技术现状 AOAS系统的关键技术包括以下三个方面的内容： 1）工程阻滞材料的研发[15][16][17]。首先，阻滞材料的破坏要能提供合适的阻滞力。阻滞力太大，会使飞机减速过快，不仅飞机会受到损坏，而且乘客也会因所受过载过大受到伤害；阻滞力太小，阻滞区的长度很长，失去了设置AOAS系统的初衷。第二，阻滞材料不易燃，防止在机轮破坏阻滞材料的过程中因摩擦、碰撞等作用而起火。第三，阻滞材料必须具有良好的稳定性，不易受环境影响使性能变化；最后，阻滞材料必须具有较高的均匀性，尤其是抗压强度均匀程度要高，否则容易发生飞机侧滑、倾斜事故。 2）数学计算模型的研发。由于对阻滞系统的性能要求很严格，必须在预定的距离内将选定的主型飞机安全平稳地阻滞下来，但是工程材料对飞机的阻滞特性又受到许多因素的影响，如飞机起飞重量、飞机起落架型式、轮胎压力、冲入速度、机轮陷入材料中的深度等，而且飞机在阻滞系统中行进时，阻力是变化的，飞机的速度也是变化的，这样要预计飞机停止的距离，靠简单的分析很难得到答案，必须通过复杂的动力学计算才能解决。此外，除主机型要预计停止距离外，其他的机型也要能有效地阻滞在此系统安全区内，这都要经过动力学计算才能解决。 因此对于AOAS系统，数学模型的建立与数值仿真和视景程序的研制非常重要，为阻滞区的结构设计提供最可靠的依据。本论文的研究工作就是针对此项内容展开。 3）阻滞区的结构设计。在阻滞材料选定的基础上完成结构设计，即如何构成阻滞床体，内部如何保障优良的温湿条件，不同区域如何过渡，怎样方便飞机拽出，表面保护层、基础层方案，和阻滞床毁坏后的修复等。 1986年美国就开始了EMAS系统的研制工作，经过几十年的发展，已经具备了比较完善的EMAS系统，其中包括阻滞材料的制备、计算方法和仿真软件的开发。但是这些关键技术都申请了国际专利，对其他国家严格保密。此外，通过资料可以了解到，美国使用的阻滞材料是一种轻质的多孔的混凝土材料，由于对材料的均匀性要求比较高，制备工艺比较复杂，由于阻滞材料不是本报告研究的内容，在此不作详细叙述。 中国和其他国家都处于开始研究的阶段。目前，我国在阻滞材料——泡沫混凝土材料的研究方面取得了一些进展[21][22][23][24]。 4研究意义 我国地域辽阔、人口众多，随着国民经济的快速发展，特别是在不久的将来我国民用“大飞机”研制成功后，民用航空业务必定得到更大的发展。而飞行安全在民航事业中具有头等地位，机场愈是繁忙，安全问题愈突出。研究和开发AOAS系统具有重要的现实意义。 首先，提高机场的安全性能。我国现有民航使用机场约150个，满足FAA建议的安全区要求的机场只有60个，其他大多只满足设90米安全区的要求，而且该区只是土壤平整、压实，不仅离长度约300米（如图1.4所示）安全区的要求相距甚远，而且其表面状态不能满足安全阻滞飞机的需要。一旦飞机冲出跑道后果必然很严重，不仅飞机、机上乘客会受到伤害，而且会导致机场较长时间关闭，造成重大的社会影响与严重的经济损失。 第二，节约土地。如果所有机场都按照国际标准修建长达约300米的跑道末端安全区，不仅要耗费大量的建设资金，而且要占用大片的耕地，这对于我国人均耕地面积仅有1.3亩（世界人均耕地面积4.8亩）的国情而言，无疑是一项极其沉重的负担，对耕地的需求势必会造成巨大的压力。然而，采用AOAS系统后可以大大缩短跑道末端安全区的长度，最长为约182m （如图1.5所示），与标准长度300m相比减少了近40％的土地需求量。 第三，打破技术垄断，节约资金。虽然美国已经具备了比较完善的AOAS系统，但是由于该系统的阻滞材料生产工艺比较复杂，而且与之配合使用的数据计算模型美国已经申请了专利，我国引进该系统必须付出高额代价，如九寨九黄机场安装AOAS系统，耗资约9000万元人民币，而在美国国内安装一套标准的AOAS系统投资大约为300万美元～600万美元[6]。而且我国民用机场很多（在未来12年内我国还将新建机场近百个，这些机场大部分位于地形欠佳的中西部地区，难以设置300m安全区的机场势必很多），倘若依靠从美国引进AOAS系统，无疑将需要花费巨额资金。因此，应该研制和开发拥有自主知识产权的AOAS系统。 当前党中央国务院提出各方面工作都要“以人为本”，建设环境友好型社会，各项建设必须兼顾环境建设。机场环境建设中有生态环境、效率环境及安全环境等，其中尤以安全环境最为重要。AOAS系统不仅可以保障飞机、机上乘客的安全，而且可以节约大量的耕地、降低费用，实为一种非常理想的选择。 参考文献 [1] Wayne K. San Filippo, Hugh DeLong. Engineered Materials Arresting System (EMAS): An alternative solution to runway overruns. Air Transport. 2002 [2] Federal Aviation Administration. Engineered Materials Arrestiong Systems (EMAS) for aircraft overruns. FAA AC:150/5220-22A [3] Wanyne Rosenkrans. Rethinking Overrun Protection. Aviationsafety World. 2006 [4] International Civil Aviation Organization North American, Central American and Caribbean OFFICE. Status of Engineered Materials Arresting System installations in the United States. E/CAR DCA/21-IP05 [5] International Civil Aviation Organization North American, Central American and Caribbean OFFICE. Runway safety Areas/Engineered Materials Arresting Systems. NACC/DCA/2-IP/18 [6] U.S. Department of Transportation, Federal Aviation Administration. Financial feasibility and equivalency of runway Safety Area improvements and Engineered Material Arresting Systems. FAA Order 5200.9, 2004 [7] E. Heymsfield, W.M. Hale, T.L Halsey. 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