机场跑道端飞机拦阻系统的动力学模型与实验验证

Aircraft arresting system (AAS) could be used to mitigate the risk of runway excursion that is the most frequent type of landing accident. It is located on the runway end and mainly made with foam concrete materials. The AAS design involves dynamical performance of the materials, characters of landing gear and tire and injury biomechanics. For the design, AAS could be model through the study of ‘foam concrete collapse mechanism and dynamical performance index system’, ‘dynamical model of AAS’ and ‘experiment verification’. With the AAS model, those important problems could be resolved, such as test method of the material performance, predication of aircraft speed decay, load of landing gear and safety of aircraft and inhabit.

飞机冲偏出跑道是民航安全的热点问题，基于泡沫混凝土的机场跑道端飞机拦阻系统是解决这一问题的有效技术手段。针对拦阻系统的设计需求，本项目基于泡沫混凝土材料的力学特性、飞机轮胎力学特性、飞机起落架动态特性、飞机起落架承载能力、人体损伤力学，从“泡沫材料的溃缩机理与吸能特性的工程力学表征”、“拦阻系统动力学模型”和“系统模型的算例验证和实验验证”等方面研究建立拦阻系统的动力学模型，解决泡沫混凝土拦阻材料的性能测试、拦阻过程中飞机速度衰减预测、起落架所受载荷预测和起落架与乘员的安全性评估等关键问题；提出拦阻系统的设计方法和算法；设计实验验证方案，通过实验室实验验证并完善所建立的模型；提出针对具体机场的拦阻系统设计方法。研究成果为基于泡沫混凝土材料的飞机拦阻系统奠定理论基础，为拦阻材料测试建立指标体系，为拦阻系统设计提供技术和方法。

飞机冲出跑道是民航安全面临的主要威胁之一，特性材料拦阻系统（Engineered Material Arresting System，缩写为EMAS）是解决这一问题的安全设施。EMAS由泡沫混凝土构成。飞机在拦阻过程中的动力学模型是EMAS的关键技术，用于EMAS设计，建模者众多，但很少能用实验或现场试验进行验证。本项目研究了泡沫混凝土材料的力学特性，建立了飞机轮胎/泡沫混凝土界面的静力学模型和拦阻系统的动力学模型，设计建造了专门的实验装置，利用该装置对建立的轮胎/泡沫界面静力学模型进行了实验验证。此外，还利用真实的波音737飞机对拦阻系统的动力学模型进行了试验验证。. 对泡沫材料力学特性的研究发现，用本项目提出的双侵彻实验方法得到的压缩曲线较好地表征了材料的压缩性能。实验中压头下的材料溃缩具有高度的局部性，应变的概念不再适用，而应采用位移来表征压缩程度。. 实验表明，本项目设计建造的实验装置能够很好地用于研究轮胎对泡沫材料的碾压作用，能够用于验证机轮/泡沫界面的力学模型。在实验发现的基础上，建立了轮胎/泡沫界面的静力学模型。对模型的实验验证结果表明：该模型较好地反映了实验现象，模型对机轮所受拦阻力计算的偏差的平均值小于10%。.本项目提出了飞机拦阻系统的仿真模型，编制了软件。采用波音737飞机对模型进行了六次试验验证。试验后飞机与机组人员均安全。验证结果表明模型对主要结果的计算具有良好的精度，对停止距离的计算误差不大于7%。. 发表论文11篇，6篇被EI检索、1篇被SCI检索。获中国发明专利授权5项。依据研究成果编制中国民航行业技术标准1项。研究成果成功转化为EMAS产品，通过了中国民航局的审定，成为全球第二个获得政府主管部门审定批准的EMAS产品。产品成功在云南省腾冲机场实现了首次工程应用，创造产值4000万元，实现了为地理环境风险等级高的机场保障航空安全的重要社会价值。本产品在国内民用机场和军用机场以及国外机场具有广阔的应用前景。本项目的价值与成就获得了政府和社会的高度评价，先后入选中国民航局“2013年民航工作6大重点”、“2013年民航工作6大亮点”、“2014年民航工作6大重点”。相关研究成果“特性材料拦阻系统（EMAS）设计模型及其验证技术研究”于2016年获得“中国航空运输协会民航科学技术奖”一等奖。