EMAS飛機(jī)攔停系統(tǒng)在云南騰沖機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用與研究

1，3.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 廣州 510230；

2.上海民航新時(shí)代機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)研究院有限公司廣州分公司 廣州 510405

摘要：本文介紹了EMAS飛機(jī)攔停系統(tǒng)的發(fā)展歷史和工作原理，研究了云南騰沖機(jī)場(chǎng)的現(xiàn)狀和其作為高填方機(jī)場(chǎng)對(duì)飛行安全的影響，通過計(jì)算模型分析出了EMAS系統(tǒng)的效能，最終確定了EMAS床的安裝長(zhǎng)度。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)攔停系統(tǒng)；跑道端安全區(qū)；沖出跑道；高填方機(jī)場(chǎng)

[Abstract]The paper presents the history and working principle of Engineered Materials Arresting Systems（EMAS）.The existing situation of Tengchong airport，and the influences of aviation flight safety caused by the high fill slope，are studied in this paper.According to analyse the performance of the EMAS with the mathematical model，the length of the EMAS bed is proposed.

[Key words]EMAS Engineered Materials Arresting Systems Runway end safety area overrun high fill slope airport

飛機(jī)攔停系統(tǒng)英文全稱：Engineered Materials Arresting Systems，簡(jiǎn)稱EMAS，是安裝在機(jī)場(chǎng)跑道端安全區(qū)內(nèi)的一種特殊的泡沫混凝土材料，材料外面由防護(hù)層包裹，在飛機(jī)的重量之下材料會(huì)被壓碎，通過被壓碎材料與飛機(jī)起落架間的相互作用為飛機(jī)提供制動(dòng)力。在保證對(duì)飛機(jī)損壞和乘客及機(jī)組人員傷害最小化的前提下，設(shè)計(jì)的攔阻材料和系統(tǒng)可為飛機(jī)提供最大制動(dòng)效能。

騰沖機(jī)場(chǎng)于2009年1月投入使用后，迅速開通了較多的航線航班。2009年，機(jī)場(chǎng)完成旅客吞吐量達(dá)25.8萬(wàn)人次，貨郵吞吐量達(dá)134噸，起降架次達(dá)3016架次。從機(jī)場(chǎng)的使用情況來看，各方面運(yùn)轉(zhuǎn)正常。由于騰沖機(jī)場(chǎng)是山區(qū)機(jī)場(chǎng)，機(jī)場(chǎng)兩端為高填方區(qū)域，同時(shí)山區(qū)在雨季的天氣條件也較差，這都對(duì)飛行員產(chǎn)生了較大的心理壓力。

為降低上述風(fēng)險(xiǎn)，可以延長(zhǎng)跑道或是加裝EMAS系統(tǒng)。延長(zhǎng)跑道可同時(shí)增加飛機(jī)載量，但成本高、工程復(fù)雜、工期長(zhǎng)。加裝EMAS僅用于飛機(jī)沖出跑道情況，使用后需維護(hù)費(fèi)用，但造價(jià)低、工程簡(jiǎn)單、工期短。兩種方式優(yōu)缺點(diǎn)均較突出。

從國(guó)外已經(jīng)安裝EMAS系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)所發(fā)生的事件來看，該系統(tǒng)有效地發(fā)揮了攔停的作用。截至2012年底，世界各地共安裝系統(tǒng)78套（美國(guó)74套，中國(guó)2套，西班牙2套）。在我國(guó)的2套EMAS分別安裝在四川九寨黃龍機(jī)場(chǎng)的跑道兩端。騰沖機(jī)場(chǎng)為我國(guó)第二個(gè)安裝有EMAS系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)，EMAS系統(tǒng)在我國(guó)尚處于發(fā)展初期，隨著我國(guó)民航機(jī)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的逐步擴(kuò)大以及泡沫混凝土材料制備工藝的不斷發(fā)展，EMAS飛機(jī)攔停技術(shù)的研究與推廣對(duì)提高我國(guó)民用機(jī)場(chǎng)的安全保障能力具有重要意義。

1.EMAS系統(tǒng)的發(fā)展歷史

EMAS最早由FAA（美國(guó)聯(lián)邦航空局）聯(lián)合戴頓大學(xué)和美國(guó)ESCO公司于20世紀(jì)90年代初共同研發(fā)成功，第一套系統(tǒng)被安裝在紐約肯尼迪國(guó)際機(jī)場(chǎng)。截至2012年底，世界各地共安裝系統(tǒng)78套（美國(guó)74套，中國(guó)2套，西班牙2套）。我國(guó)于2010年由中國(guó)民航科學(xué)技術(shù)研究院正式開始研發(fā)，于2012年7月通過了中國(guó)民用航空總局的審定并獲得工程應(yīng)用批準(zhǔn)。

自從1996年引用時(shí)起，截至2012年底，EMAS系統(tǒng)共實(shí)現(xiàn)8次攔停，如下表所示：

2.騰沖機(jī)場(chǎng)概況

騰沖（駝峰）機(jī)場(chǎng)位于距騰沖縣城約10公里的清水鄉(xiāng)駝峰村，于2005年開始建設(shè)，2009年1月23日通航，按滿足年旅客吞吐量48萬(wàn)人次、年貨運(yùn)吞吐量2100噸、年客機(jī)起降架次6244架次規(guī)模設(shè)計(jì)，機(jī)場(chǎng)可起降波音737系列和空客A320系列及以下機(jī)型。機(jī)場(chǎng)擁有一條長(zhǎng)2350米、寬45米的跑道，一條寬18米的聯(lián)絡(luò)滑行道，7個(gè)C類機(jī)位的站坪，4000平方米的航站樓以及通信、導(dǎo)航等各項(xiàng)配套設(shè)施。

目前機(jī)場(chǎng)已經(jīng)批準(zhǔn)開通昆明、西雙版納、麗江、成都至騰沖4條航線。2009年全年旅客吞吐量為25.8萬(wàn)人次。目前通航的公司有東方航空公司、海南航空公司（翔鵬航空）及南方航空公司（重慶航空）。

3.高填方對(duì)飛行安全的影響

騰沖機(jī)場(chǎng)屬于山區(qū)機(jī)場(chǎng)，跑道兩端均是高填方。根據(jù)機(jī)場(chǎng)建設(shè)階段相關(guān)飛行性能計(jì)算的公司進(jìn)行的性能計(jì)算，跑道長(zhǎng)度從飛機(jī)性能上完全滿足起飛與降落的使用要求。

但騰沖當(dāng)?shù)赜昙韭L(zhǎng)，跑道經(jīng)常處于濕滑狀態(tài)。飛機(jī)制動(dòng)性能受一定影響。如果有飛機(jī)接地點(diǎn)太遠(yuǎn)，或是剎車失效，或是一發(fā)失效中止起飛等情況發(fā)生，則容易出現(xiàn)沖出跑道的情況。

騰沖機(jī)場(chǎng)為山區(qū)高填方機(jī)場(chǎng)，兩端跑道邊坡末端與坡底高差高達(dá)43米（北端）和83.6米（南端）。雖然兩端的跑道端安全區(qū)滿足相關(guān)的規(guī)范要求，但由于跑道短，且飛行區(qū)邊坡之后就緊接著深溝，萬(wàn)一飛機(jī)沖出跑道，極有可能帶來災(zāi)難性事故。

根據(jù)1975年-1987年關(guān)于飛機(jī)沖出跑道事件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，約90%的沖出跑道事故發(fā)生在70節(jié)（129.64km/h）或更低速度，并且大部分事故發(fā)生在跑道端1000英尺（304.8m）內(nèi)的跑道延伸線上。因此有必要增加EMAS系統(tǒng)來提高機(jī)場(chǎng)的安全保障能力。

4.EMAS系統(tǒng)使用機(jī)型與效能分析

4.1 EMAS系統(tǒng)效能分析

根據(jù)FAA咨詢通告AC No：150/5220-22B的研究成果，EMAS系統(tǒng)優(yōu)于按150米長(zhǎng)度設(shè)置的跑道端安全區(qū)（RESA），其可以在任何天氣條件及無(wú)飛機(jī)反推力的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)速度高達(dá)70節(jié)（129.64km/h）的任何商用飛機(jī)的安全攔停，并保證對(duì)飛機(jī)損壞和乘客、機(jī)組成員傷害的最小化。跟ICAO推薦的300米R(shí)ESA相比，EMAS可以在少得多的空間內(nèi)提供更優(yōu)的安全保障。

在美國(guó)，F(xiàn)AA已經(jīng)確定EMAS可以替代1000英尺（304.8m）的RESA，以及在長(zhǎng)度小于1000英尺的RESA中安裝可攔停70節(jié)以下（包括70節(jié)）所有大型飛機(jī)的EMAS系統(tǒng)的機(jī)場(chǎng)完全符合FAA適航規(guī)定。ICAO也即將發(fā)布類似的規(guī)定，并且有望于近期發(fā)布最新的RESA指導(dǎo)方案。

4.2 EMAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)機(jī)型

騰沖機(jī)場(chǎng)是4C級(jí)機(jī)場(chǎng)，使用飛機(jī)為C類。根據(jù)機(jī)場(chǎng)總體規(guī)劃報(bào)告中對(duì)各年份的機(jī)型預(yù)測(cè)如下：

根據(jù)騰沖機(jī)場(chǎng)原設(shè)計(jì)機(jī)型，及機(jī)場(chǎng)通航后的運(yùn)營(yíng)情況，均為C類飛機(jī)。同時(shí)考慮到我國(guó)目前正在大力推進(jìn)國(guó)產(chǎn)飛機(jī)的計(jì)劃，星舟60、ARJ21等飛機(jī)將逐漸增加。因此騰沖機(jī)場(chǎng)的機(jī)型組合預(yù)測(cè)如下表：

由上表可以看出，機(jī)場(chǎng)在遠(yuǎn)期才考慮D類飛機(jī)的使用，近期只考慮C類飛機(jī)。

C類飛機(jī)中，考慮騰沖機(jī)場(chǎng)建設(shè)初期的設(shè)計(jì)機(jī)型，是滿足B737-700以下機(jī)型，因此本次EMAS計(jì)算的目標(biāo)機(jī)型是B737-700 。為便于比較其它機(jī)型的效果，同時(shí)完成了針對(duì)其它機(jī)型的計(jì)算以作比較。

4.3計(jì)算模型

EMAS的計(jì)算機(jī)模型主要用來模擬各條件下的作用和反作用力。須要代入的參數(shù)主要有：泡沫混凝土材料的特性、模擬機(jī)型的參數(shù)（各種重量、進(jìn)入速度、結(jié)構(gòu)特性等）。經(jīng)計(jì)算后，可得到飛機(jī)的減速度和機(jī)械荷載，并可模擬出攔阻效果。

EMAS系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，模型主要用來模擬飛機(jī)輪胎與被壓碎的泡沫混凝土材料之間的弧形交界面。共有三種三維分析模型（參考文獻(xiàn)2）分別模擬出了飛機(jī)主起落架的非線性擾動(dòng)、輪胎和下部柔性結(jié)構(gòu)各自的狀況。通過上述三個(gè)模型可計(jì)算出飛機(jī)在沖入攔阻床系統(tǒng)后，輪胎與壓碎的泡沫混凝土材料之間的摩擦力。此外，還可分析出未壓碎的泡沫混凝土材料與飛機(jī)輪胎豎向面之間的相互作用力。

輪胎可以看做是由不同徑向單元組成的彈性體。首先根據(jù)泡沫混凝土在受壓后自身增大的材料應(yīng)力得出輪胎在弧形交界面所受的作用力。該作用力可以分解為輪胎在垂直方向和水平方向（材料間摩擦力）所受的力。而由上述兩個(gè)方向的合力就可以計(jì)算出輪軸在水平和垂直方向的作用力。在該模型中輪軸在垂直方向的滑移忽略不計(jì)。

4.4計(jì)算條件

針對(duì)初步配置，利用飛機(jī)性能模型對(duì)EMAS進(jìn)行性能計(jì)算。針對(duì)EMAS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能，基于為所有設(shè)計(jì)飛機(jī)提供最大的保護(hù)。性能按照最大起飛重量（MTOW）和80%最大著陸重量（80% MLW）計(jì)算，以便覆蓋從放棄起飛到著陸的潛在沖出跑道的所有情況。

典型狀況的性能假設(shè)條件如下：

-預(yù)測(cè)性能是飛機(jī)離開跑道（即，經(jīng)過跑道末端）時(shí)的速度

-在穿過跑道末端和EMAS開始之間的間距時(shí)，飛機(jī)制動(dòng)計(jì)算基于0.35的摩擦系數(shù)（良好制動(dòng)）。

- 一旦飛機(jī)進(jìn)入EMAS，不再考慮來自飛機(jī)制動(dòng)的額外貢獻(xiàn)

- 來自飛機(jī)反推力對(duì)制動(dòng)的貢獻(xiàn)會(huì)在預(yù)測(cè)中加以考慮

- EMAS制動(dòng)力（減速）保持在保證飛機(jī)前起落架瓦解和/或乘客/機(jī)組成員傷害最小化的水平

-在系統(tǒng)末端時(shí)，飛機(jī)前起落架達(dá)到零速度

4.5計(jì)算結(jié)果

從場(chǎng)地條件看，可設(shè)置的從跑道端到EMAS末端總長(zhǎng)為240米，可將其中137米設(shè)置為EMAS床（其中81.5米為本次工程項(xiàng)目建設(shè)EMAS使用），其余長(zhǎng)度為緩沖區(qū)及防吹坪。該距離可滿足B737類飛機(jī)高于75節(jié)的速度的攔停，滿足B757類飛機(jī)高于70節(jié)的速度的攔停，B767類飛機(jī)高于70節(jié)的速度的攔停。

出于成本的考慮，本次可安裝的EMAS按B737類考慮，即EMAS按81.5米考慮。其前部下沉的EMAS床部分采用回填土。

結(jié)語(yǔ)

EMAS系統(tǒng)在已經(jīng)發(fā)生過的多次飛機(jī)沖出跑道事件中，成功發(fā)揮了攔停飛機(jī)，保障人機(jī)安全的作用。中國(guó)民航經(jīng)過飛速發(fā)展的十幾年已成為全球第二大航空運(yùn)輸系統(tǒng)，而EMAS系統(tǒng)在我國(guó)尚處于發(fā)展初期，EMAS飛機(jī)攔停技術(shù)的研究與推廣對(duì)提高我國(guó)民用機(jī)場(chǎng)的安全保障能力具有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]FAA.AC 150/5220- 22B，Engineered Materials Arresting Systems（EMAS）for Aircraft Overruns.FAA，2012

[2]Cook，R.F.Aircraft Operating on Soil-Prediction Techniques.ESL-TR-84-04，U.S.Air Force，July 1985，Tyndall AFB，F(xiàn)L

[3]DOT/FAA/CT- 93/4，Soft ground arresting systems for commercial aircraft，Interim Report，F(xiàn)eb.1993 by Robert Cook.FAA，1993

[4]DOT/FAA/CT- 93/80，Soft ground arresting system for airports，Interim Report，Dec.1993 by James C.White，Satish K.Agrawal，Robert Cook，Comrise Tech.Inc.FAA，199

作者簡(jiǎn)介：

郭華（1983-），男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，工學(xué)學(xué)士，工程師，從事機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程專業(yè)設(shè)計(jì)工作。