飞机道面拦阻系统的研究

飞行跑道是机场最重要的基础设施，飞机在跑道上的运行安全，历来是机场安全管理和技术研究所关注的重点，而跑道端部安全更是机场安全的焦点。如何减少飞机冲出跑道的危险发生，进而减少对飞机的损伤、保障机组人员和乘客的生命安全，已成为近年来机场安全技术研究的热点。道面拦阻系统（EMAS）主要通飞机轮胎压碎拦阻材料来制动飞机，从而使飞机减速停止，用来保护冲出跑道的飞机。

一、道面拦阻材料特性

飞机经过道面拦阻系统时，将拦阻道面压碎，被压碎的拦阻材料吸收了飞机的动能，从而将飞机拦停。拦阻材料对飞机能量的吸收应与材料被压碎的体积成比例关系，如图一所示。

分析一种材料是否适宜用做道面拦阻材料，需要注意两个重要因素：其一，机轮压力的精确校准。机轮压力过大，会增加起落架负担，严重时可能会使起落架结构遭受损伤；机轮压力过小，会降低材料的拦阻性能，从而影响拦阻面对飞机的拦阻。应根据飞机和起落架的动态响应来求得机轮压力。其二，材料的最大压缩比。压缩比用来确定整个拦阻过程中能量的吸收值。

（一）道面拦阻系统的力学特性

飞机冲出跑道后进入拦阻道面内，前、主起落架将同时承受垂直荷载和拖力负载。飞机在设计时主要考虑由主起落架提供拖力负载，而前起落架不参与刹车过程，因此前起落架的结构强度要小于主起落架，但拦阻系统在对飞机进行拦截时会同时给前、主起落架施加阻力，因此设计飞机道面拦阻系统时必须严格控制拦阻材料的压碎强度，以保证不损伤飞机起落架。道面拦阻系统的力学特性主要与五种因素有关：即飞机冲出跑道的速度、压入拦阻材料的深度、机轮压力、起落架构型及前、主起落架支柱的强度。

（二）材料要求

由于处于露天工作环境，道面拦阻材料遭受风吹日晒、雨雪冰冻等各种自然因素的作用。为确保其性能可靠，拦阻材料应具有以下特性：

1.易碎性。当材料的表面压力超过其设计荷载时，材料即被压碎。EMAS的设计原理是通过制动飞机起落架机轮，从而达到拦阻飞机的目的。因此，材料的设计荷载应当在一定的范围内，即不损伤起落架结构而且能保证安全拦阻冲出跑道的飞机。如果材料强度过大，导致起落架折断，将会降低拦阻安全性能。

2．耐水性。由于 EMAS 道面所处的环境较为恶劣，要受到雨淋、冰冻、霜雪、太阳暴晒等各种自然因素的作用，因此材料自身应不吸收水分，可以较好的防止水分侵蚀，保证遇水后不影响拦阻系统的使用品质和使用寿命。

3．应不吸引鸟类及野生动物。应保证 EMAS 的使用安全，避免鸟类等动物靠近，防止发生鸟击危险事故的发生。

4．抗燃性。EMAS 应具有耐受飞机高温尾喷气流和吹雪车短时吹喷的能力，在高温下应不易燃、不助燃。

5．耐久性。拦阻系统需要在自然环境中，经受着持续变化的自然环境的影响。EMAS应不随环境温度和湿度的变化而退化，不受盐碱、除冰液、机油和油的侵蚀，能抵抗吹沙、吹雪等工作的影响，始终保持良好的使用品质。

6．可修复性。当道面拦阻系统拦阻飞机后，必须尽快完成 EMAS 的修补检查工作。为确保对其它冲出跑道的飞机再次安全拦阻，应当及时修复已被机轮损坏的道面。在此修复期间，EMAS 中未被损及的部分应当被隔离并暂停使用。

二、道面拦阻系统铺设要求

(一) 距跑道端距离

道面拦阻系统设在跑道两端外的跑道中心延长线上。为增大飞机进入拦阻系统时所受的阻力，并防止提前接地飞机的尾喷气流对道面拦阻系统造成伤害，EMAS 的铺设起点应与跑道端有一定距离应，至少为23m，如图二所示，称这一段为滞后段。如果跑道端安全区距离不足，导致拦阻道面的铺设距离不能满足要求时，可以适当地缩短滞后段距离。

（二）长度

道面拦阻系统的长度极其重要，它将直接影响拦阻效果。如图二所示，当跑道的进近端设有垂直引导时，若不设停止道，EMAS 的铺设终端应距跑道端至少180m；若设有停止道，EMAS 铺设终端应距停止道端至少180m；当跑道的进近端不设垂直引导时，应设置标准的跑道端安全区。按照规定，标准的跑道端安全区应自跑道端向外延伸至少300m。

（三）宽度

飞机冲出跑道进入拦阻道面时，可能会偏离跑道中心延长线，给拦阻飞机造成一定的偏差。为确保飞机冲出跑道后能够被安全拦停，EMAS 道面必须具有足够的宽度。如图三所示，EMAS 道面的宽度至少要与跑道宽度相同，其宽度的设置应充分满足应急救援的需要，便于救援车辆迅速到达事故现场，并保证不会造成飞机、车辆受损以及人员伤亡。

（四）坡度

EMAS道面应充分考虑飞机进入和拦停后飞机处理工作的方便（为牵引飞机离开道面提供便利）。坡度的设置如图三所示。若 EMAS 铺设在现有道面上，其坡度的设置应确保应急救援车辆可以从靠近跑道的一端及其两侧迅速到达，远离跑道一端的坡度应尽量为救援车辆提供便利。

三、EMAS 建模分析与仿真

飞机冲出跑道进入道面拦阻系统后，机轮受飞机的重力作用而压入EMAS内。拦阻道面在被压碎的同时吸收了飞机前进的动能，从而制动飞机使之减速停止。性能优良的道面拦阻系统要求对不同质量和不同冲入拦阻系统速度的飞机能够在限定的铺设距离内将飞机安全拦停，且起落架所受的拖滞力、EMAS 作用给机轮的垂直荷载均能满足飞机的设计要求，不对飞机造成结构损伤！

（一）建模假设

1．飞机起落架为前三点式；

2．飞机在受到应急拦阻时，刹车系统不起作用，不使用反推力，不考虑飞机轮胎在道面滚动的摩擦力，即只有拦阻系统给飞机提供制动力；

3．飞机荷载 G、起落架可承受的最大水平拖力 FG和机轮胎最大压力 PT为已知。

（二）拦阻过程动力学分析

一般冲出跑道时飞机与道面拦阻系统的相互作用情况如图四所示，此时，飞机初始冲入拦阻道面内，前、主起落架均压入其中，共同受 EMAS 拖滞力的作用而减速停止。

根据动力学原理，前、主起落架均压入拦阻材料时有

(1)

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(3)

(4)

(5)

p 为飞机冲入拦阻道面的距离；t为引入的时间变量，即拦阻时间；vp、vy分别为机体面内的分速度；ap、ay分别为机体面内的分加速度；FV为拦阻材料作用于机轮的垂直荷载；FD为拦阻材料作用于机轮的水平拖滞力；Fl为飞机所受升力。

（三）拦阻过程静力学分析

根据静力学原理，由前、主起落架均压入 EMAS 中的情况，可得到如下关系式，如图五所示。F0为飞机在竖直方向所受的合力；FD1、FD2分别为前、主起落架机轮所受的拖滞力；Cl为空气动力学升力系数；ρ空气密度；v 为飞机进入道面拦阻区时的速度；S 为飞机机翼面积

当飞机速度等于 0 时，机体达到平衡状态， FY为 0，此时 Fl消失，FV和 G 达到平衡，即G=FV 根据能量守恒定律，飞机冲入拦阻道面的动能被粉碎的拦阻材料吸收，即

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其中m, v分别为飞机的质量和飞机进入拦阻系统的初始速度，L为拦停距离，H为飞机压入拦阻系统的深度。

（四）机轮道面拦阻系统的接触面综合分析

研究机轮与道面拦阻接触面模型，目的是为了确定 EMAS 产生的水平和垂直荷载与材料密度、机轮水平速度、轮胎型号和压入深度的函数关系。机轮与拦阻道面接触面模型如图五所示，图中机轮底部的拦阻材料经碾压后被压实，形成道面上层,并由道面的支承给机体提供支持力。考虑机轮为弹性体，轮胎与压实层间的接触部分将会产生弹性形变，压实层表面将有轻微的反弹，但不会影响拦阻效果。其中R为轮胎半径；W为轮胎宽度；H为机轮压入的深度；AF表示压入EMAS的机轮部分在拦阻面内的竖直投影，AW表示压入EMAS的机轮部分在拦阻面内的水平投影；FL为机轮 前端的拦阻材料在竖直方向上作用于轮胎的支持力，FT为机轮底部与压实的拦阻面在竖直方向上产生的弹力负载；k 表示轮胎弹力系数；Δh 表示轮胎形变量。设 FD、FV的合力为 F，有如下关系式

(7)

FL是机轮与拦阻材料接触面之间的压力，根据材料选择的不同，产生的压强也会有所不同。对于泡沫型拦阻材料来说，压强等于压碎强度与动态压强之和。压碎强度受压入拦阻面内的面积限制，而动态压强 PM是机轮水平速度 v 的函数，可得到如下关系式

(8)

P为机轮与接触面之间的压强，PM为动压强度，PC为压碎强度，为拦阻材料密度。由于 EMAS 材料的密度非常小，因此可以忽略动态压强，即 P = PC。于是，未压实的拦阻材料作用在轮胎接触表面上的垂直分量和水平分量分别为

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(10)

机轮所受的垂直载荷为FV

(11)

当 时，FL达到最大 ，此时

FD也达到最大值，即

由机着陆时承受阻力过大容易造成起落架折断，因此 FD的取值应当在起落架可以承受的限度内，不能完全达到该最大理想值。在实际应用中，FD应当参照飞机设计手册的数据来确定，以确保在拦阻过程中机体结构不会受到损伤。当飞机速度为 0，机体达到平衡状态时，可得

(12)

通过实验数据，可以得出PC,H,R, 与G之间的数学关系。由飞机设计数据，可以得到起落架分别可以承受的最大水平拖力FG,轮胎最大压强PT,可以得出：

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(14)

上式构成了变量H的两个约束条件，通过该约束条件能够确定变量H的可允许的变化范围。

综合以上关系式，可以得出FG,PT,G,V与变量PC,L,H之间的数学函数关系，由关系式可以得到，当V增加时，L,H将随之增加，并要求PC也增加，以便吸收更多的飞机动能，反之V越小，初始动能就越小，L,H将随之减小，PC也将减小，但变量H的变化应当满足以上约束条件，有上式可知，机轮所受的拖滞力FD受变量PC和H的限制，通过PC和H与已知量间关系的建立，可以确定FD与给定条件FG,PT,G,V的函数关系。

四、仿真算例

结合B737-800 的飞机数据，应用MATLAB环境下的Simulink仿真组件对 EMAS 性能进行模拟仿真。B737-800 的总重为 7.9×104kg；设 EMAS 材料的压碎强度为 60psi；EMAS 铺设长度为 103m；铺筑起点距跑道端 11m；道面摩阻系数为 0.25；飞机在被拦过程中不使用反推力和刹车装置。经模拟仿真得到 B737-800 在被拦过程中的减加速度与冲出跑道距离的关系，如图六所示。由该图可知，飞机初始抵达 EMAS 最深铺筑区时，减加速度达到最大，此后飞机速度逐渐减小，减加速度也随之降低。在飞机即将停下时，减加速度有了增加，飞机速度迅速减小至 0，随即飞机停止。