拦住冲出跑道的飞机—EMAS

2015-04-23

中国民航科学技术研究院总工程师姚红宇

    一、引言
    世界上约1/4的航空运输事故和事故征候涉及到飞机冲偏出跑道的情况,且冲偏出跑道的事件大约每周发生一起。按照国际民航组织(ICAO)的统计,1998-2007年间全球因冲偏出跑道引起的事故数排在事故分类的首位。在中国,2005-2008年间因冲偏出跑道引起的事故征候数亦排在事故征候分类的首位。2013年4月13日在印尼,一架波音737飞机冲出跑道掉入海中。2009年12月22日在牙买加,一架波音737飞机冲出跑道,40人受伤。冲出跑道可能导致灾难性后果。在我国西部山地机场以及南方海边机场,跑道端安全区(Runway End Safety Area,简称RESA)以外常为陡坡或水面,即便RESA长度符合标准,飞机一旦冲出RESA,后果不堪设想。中国民航局(CAAC)和ICAO关于 RESA的长度标准是一致的,对于3类或4类跑道,标准长度90m,建议长度240m。如果机场不符合标准,或者RESA之外地理条件太危险,飞机冲出跑道怎么办?拦住它!由于民机设计时没有做相应的强度设计,因此军机普遍采用的拦阻索、拦阻网等设备不适用于民机。美国发明的技术:特性材料拦阻系统(Engineered Material Arresting System,简称EMAS),铺设在RESA内,是RESA标准的等效符合方法。
    二、什么是 EMAS? 
    EMAS由泡沫混凝土构成,铺设在RESA地面上,与跑道同宽,高70cm以内,长在百余米以内。当冲出跑道的飞机滑行进入拦阻床后,飞机机轮会压碎泡沫混凝土,靠泡沫混凝土的破碎吸收飞机的动能,在飞机结构不发生重大破坏和乘员不过度受力的前提下,让飞机逐渐减速并最终停止在拦阻床内,或对冲过EMAS的飞机起到减速的作用。车辆进入拦阻床将损坏拦阻床,人进入不会损坏它。
    关于EMAS的技术标准主要为美国联邦航空局(FAA)的咨询通告 AC 150/5220-22B,2012年,“针对飞机冲出跑道的特性材料拦阻系统”。它规定:
    1)标准设计能够拦停出口速度70节以下的飞机,非标准设计能够拦停40节以上的飞机;
    2)不造成重大的飞机结构破坏,对乘员不造成过度的受力;
    3)救援和消防车辆能够出入拦阻床;
    4)对接地过早落入拦阻床的飞机,不造成控制问题
    5)可用真实飞机驶入试验拦阻床或者采用负载的单轮驶入试验拦阻床的方式来验证。
    EMAS最早由一家美国公司研发,其产品长期是全球唯一产品,在全球49家机场安装了75套,成功拦停了8 架飞机,在我国四川的九寨-黄龙机场、台北市的松山机场都安装了其产品。
    2013年7月,在ICAO芝加哥公约附件14 机场 第一卷 机场设计和运行(第6版)中第一次写入了拦阻系统:“如果安装了拦阻系统,可以按照系统的设计规格缩短上述长度(即跑道端安全区长度),但需得到主管当局的批准。”因此,自2013年11月起,EMAS成为国际公认的安全措施。
    三、航科院的EMAS研发和工程化应用
    从2010年起,航科院开展了EMAS研发。研发工作参照FAA AC的技术标准,并用军机和民机进行了真机验证试验。2011年4月,CAAC 成立了审定组,按照相关标准对理论、材料性能、仿真模型、单轮负载试验、真机试验、生产质量保证系统等方面开展了审定。
    EMAS有两项关键技术:1)能生产出力学性能和耐久性满足要求的泡沫混凝土的制备工艺;2)能计算停止距离、能评估乘员和飞机起落架安全性的仿真模型。模型应能按照材料性能、拦阻床几何尺寸、飞机机型、出口速度等参数计算飞机速度衰减曲线、减速率曲线、停止距离、起落架所受载荷等。
    我院对模型进行了单轮负载试验验证。设计建造了试验台,采用真实的飞机机轮、真实的飞机重量、真实的拦阻床,以及载荷测试系统,开展了多次试验。试验取得了成功,试验结果完善了仿真模型。
    我院对系统和模型还进行了真机试验验证。地点在天津机场2跑道,试验机型为B737-300,拦阻床为24、31cm 两种高度。试验前在飞机座椅上安装了测试假人以测定人体受力,在起落架上安装了应变计以测试起落架受到的载荷,对载荷测试系统进行了在翼的加载标定。此外,在飞机重心处还安装了陀螺仪,以测定飞机的速度和加速度。试验取得了成功。
    试验的主要结果为:1)进行了6次试验,2次短尺寸拦阻床,4次全尺寸拦阻床,最长达145米;2)入床速度范围:24-61节;3)试验后人、机安全,每次试验后的详细目视检查和无损探伤检查表明起落架无损伤;4)实测停止距离与计算值之间的差异在7%以内;5)最大减速率<2g,人体安全极限是4g×3s;6)起落架受到的载荷峰值<极限载荷;7)拦阻床不阻碍消防车的出入;8)拦阻床经受住了飞机在机尾距床0米处发动机起飞推力下的尾流吹袭。
    验证后的仿真模型用于为具体机场设计EMAS,标准EMAS的设计规范为:1)飞机重量:最大起飞重量(MTOW);2)出口速度:70节;3)发动机推力:无;4)反推:无;5)刹车:摩擦系数为0.25的不良刹车。设计还要满足安全准则,即飞机被拦停或减速,飞机结构不发生重大破坏,人员不过度受力。
    目前,CAAC有关EMAS的文件有:1)中国民航局机场司管理文件MD-CA-2013-01“特性材料拦阻系统(EMAS)行业审定管理办法,2013年4月28日。该文件规定“EMAS按照本规定要求通过行业审定后方可用于民用机场”;2)民航局文件 民航发〔2013〕53号“关于印发《特性材料拦阻系统(EMAS)规划建设指导意见》的通知”,2013年5月17日。该文件要求在“十二•五”期间完成腾冲等6家机场的建设试点,此后在14家机场开展建设;3)中国民用航空行业标准“特性材料拦阻系统”(报批稿)。该文件规定了EMAS的技术标准,其整体技术水平与FAA的咨询通告相当,部分要求更严格、更具体,更定量化,且规定了测试方法。我院承担了第一份和第三份文件的起草工作。
    经全面、严格的审定,CAAC于2012年7月批准了航科院研发的EMAS产品。2013年,航科公司承担并完成了云南腾冲机场的EMAS建设项目。为检验EMAS对仪表着陆系统(ILS)的影响,腾冲机场安装EMAS后由民航校飞中心进行了校飞,结果没有影响。
    四、结束语
    EASM能够以合理的费用提高机场的安全水平,特别是对于RESA长度不达标或者RESA之外地理条件危险的机场。随着ICAO将EMAS纳入标准,国际民航界可能会出现EMAS研发和应用的热潮。中国民航局即将发布EMAS的行业技术标准,标准的整体技术水平与FAA的AC相当,部分要求更严格、更具体,还新增了一些要求。

 

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