郭华1 钟斌2 林志宇3
1，3.中交第四航务工程勘察设计院有限公司 广州 510230；
2.上海民航新时代机场设计研究院有限公司广州分公司 广州 510405
摘要：本文介绍了EMAS飞机拦停系统的发展历史和工作原理，研究了云南腾冲机场的现状和其作为高填方机场对飞行安全的影响，通过计算模型分析出了EMAS系统的效能，最终确定了EMAS床的安装长度。
关键词：飞机拦停系统；跑道端安全区；冲出跑道；高填方机场
[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
飞机拦停系统英文全称：Engineered Materials Arresting Systems，简称EMAS，是安装在机场跑道端安全区内的一种特殊的泡沫混凝土材料，材料外面由防护层包裹，在飞机的重量之下材料会被压碎，通过被压碎材料与飞机起落架间的相互作用为飞机提供制动力。在保证对飞机损坏和乘客及机组人员伤害最小化的前提下，设计的拦阻材料和系统可为飞机提供最大制动效能。
腾冲机场于2009年1月投入使用后，迅速开通了较多的航线航班。2009年，机场完成旅客吞吐量达25.8万人次，货邮吞吐量达134吨，起降架次达3016架次。从机场的使用情况来看，各方面运转正常。由于腾冲机场是山区机场，机场两端为高填方区域，同时山区在雨季的天气条件也较差，这都对飞行员产生了较大的心理压力。
为降低上述风险，可以延长跑道或是加装EMAS系统。延长跑道可同时增加飞机载量，但成本高、工程复杂、工期长。加装EMAS仅用于飞机冲出跑道情况，使用后需维护费用，但造价低、工程简单、工期短。两种方式优缺点均较突出。
从国外已经安装EMAS系统的机场所发生的事件来看，该系统有效地发挥了拦停的作用。截至2012年底，世界各地共安装系统78套（美国74套，中国2套，西班牙2套）。在我国的2套EMAS分别安装在四川九寨黄龙机场的跑道两端。腾冲机场为我国第二个安装有EMAS系统的机场，EMAS系统在我国尚处于发展初期，随着我国民航机场网络的逐步扩大以及泡沫混凝土材料制备工艺的不断发展，EMAS飞机拦停技术的研究与推广对提高我国民用机场的安全保障能力具有重要意义。
1.EMAS系统的发展历史
EMAS最早由FAA（美国联邦航空局）联合戴顿大学和美国ESCO公司于20世纪90年代初共同研发成功，第一套系统被安装在纽约肯尼迪国际机场。截至2012年底，世界各地共安装系统78套（美国74套，中国2套，西班牙2套）。我国于2010年由中国民航科学技术研究院正式开始研发，于2012年7月通过了中国民用航空总局的审定并获得工程应用批准。
自从1996年引用时起，截至2012年底，EMAS系统共实现8次拦停，如下表所示：
2.腾冲机场概况
腾冲（驼峰）机场位于距腾冲县城约10公里的清水乡驼峰村，于2005年开始建设，2009年1月23日通航，按满足年旅客吞吐量48万人次、年货运吞吐量2100吨、年客机起降架次6244架次规模设计，机场可起降波音737系列和空客A320系列及以下机型。机场拥有一条长2350米、宽45米的跑道，一条宽18米的联络滑行道，7个C类机位的站坪，4000平方米的航站楼以及通信、导航等各项配套设施。
Fig.3 Satellite image of Tengchong airport
目前机场已经批准开通昆明、西双版纳、丽江、成都至腾冲4条航线。2009年全年旅客吞吐量为25.8万人次。目前通航的公司有东方航空公司、海南航空公司（翔鹏航空）及南方航空公司（重庆航空）。
3.高填方对飞行安全的影响
腾冲机场属于山区机场，跑道两端均是高填方。根据机场建设阶段相关飞行性能计算的公司进行的性能计算，跑道长度从飞机性能上完全满足起飞与降落的使用要求。
但腾冲当地雨季漫长，跑道经常处于湿滑状态。飞机制动性能受一定影响。如果有飞机接地点太远，或是刹车失效，或是一发失效中止起飞等情况发生，则容易出现冲出跑道的情况。
腾冲机场为山区高填方机场，两端跑道边坡末端与坡底高差高达43米（北端）和83.6米（南端）。虽然两端的跑道端安全区满足相关的规范要求，但由于跑道短，且飞行区边坡之后就紧接着深沟，万一飞机冲出跑道，极有可能带来灾难性事故。
根据1975年-1987年关于飞机冲出跑道事件的统计数据表明，约90%的冲出跑道事故发生在70节（129.64km/h）或更低速度，并且大部分事故发生在跑道端1000英尺（304.8m）内的跑道延伸线上。因此有必要增加EMAS系统来提高机场的安全保障能力。
4.EMAS系统使用机型与效能分析
4.1 EMAS系统效能分析
根据FAA咨询通告AC No：150/5220-22B的研究成果，EMAS系统优于按150米长度设置的跑道端安全区（RESA），其可以在任何天气条件及无飞机反推力的情况下，实现对速度高达70节（129.64km/h）的任何商用飞机的安全拦停，并保证对飞机损坏和乘客、机组成员伤害的最小化。跟ICAO推荐的300米RESA相比，EMAS可以在少得多的空间内提供更优的安全保障。
在美国，FAA已经确定EMAS可以替代1000英尺（304.8m）的RESA，以及在长度小于1000英尺的RESA中安装可拦停70节以下（包括70节）所有大型飞机的EMAS系统的机场完全符合FAA适航规定。ICAO也即将发布类似的规定，并且有望于近期发布最新的RESA指导方案。
4.2 EMAS系统设计目标机型
腾冲机场是4C级机场，使用飞机为C类。根据机场总体规划报告中对各年份的机型预测如下：
根据腾冲机场原设计机型，及机场通航后的运营情况，均为C类飞机。同时考虑到我国目前正在大力推进国产飞机的计划，星舟60、ARJ21等飞机将逐渐增加。因此腾冲机场的机型组合预测如下表：
由上表可以看出，机场在远期才考虑D类飞机的使用，近期只考虑C类飞机。
C类飞机中，考虑腾冲机场建设初期的设计机型，是满足B737-700以下机型，因此本次EMAS计算的目标机型是B737-700 。为便于比较其它机型的效果，同时完成了针对其它机型的计算以作比较。
4.3计算模型
EMAS的计算机模型主要用来模拟各条件下的作用和反作用力。须要代入的参数主要有：泡沫混凝土材料的特性、模拟机型的参数（各种重量、进入速度、结构特性等）。经计算后，可得到飞机的减速度和机械荷载，并可模拟出拦阻效果。
EMAS系统的工作原理如图1所示，模型主要用来模拟飞机轮胎与被压碎的泡沫混凝土材料之间的弧形交界面。共有三种三维分析模型（参考文献2）分别模拟出了飞机主起落架的非线性扰动、轮胎和下部柔性结构各自的状况。通过上述三个模型可计算出飞机在冲入拦阻床系统后，轮胎与压碎的泡沫混凝土材料之间的摩擦力。此外，还可分析出未压碎的泡沫混凝土材料与飞机轮胎竖向面之间的相互作用力。
轮胎可以看做是由不同径向单元组成的弹性体。首先根据泡沫混凝土在受压后自身增大的材料应力得出轮胎在弧形交界面所受的作用力。该作用力可以分解为轮胎在垂直方向和水平方向（材料间摩擦力）所受的力。而由上述两个方向的合力就可以计算出轮轴在水平和垂直方向的作用力。在该模型中轮轴在垂直方向的滑移忽略不计。
4.4计算条件
针对初步配置，利用飞机性能模型对EMAS进行性能计算。针对EMAS系统的设计性能，基于为所有设计飞机提供最大的保护。性能按照最大起飞重量（MTOW）和80%最大着陆重量（80% MLW）计算，以便覆盖从放弃起飞到着陆的潜在冲出跑道的所有情况。
典型状况的性能假设条件如下：
-预测性能是飞机离开跑道（即，经过跑道末端）时的速度
-在穿过跑道末端和EMAS开始之间的间距时，飞机制动计算基于0.35的摩擦系数（良好制动）。
- 一旦飞机进入EMAS，不再考虑来自飞机制动的额外贡献
- 来自飞机反推力对制动的贡献会在预测中加以考虑
- EMAS制动力（减速）保持在保证飞机前起落架瓦解和/或乘客/机组成员伤害最小化的水平
-在系统末端时，飞机前起落架达到零速度
从场地条件看，可设置的从跑道端到EMAS末端总长为240米，可将其中137米设置为EMAS床（其中81.5米为本次工程项目建设EMAS使用），其余长度为缓冲区及防吹坪。该距离可满足B737类飞机高于75节的速度的拦停，满足B757类飞机高于70节的速度的拦停，B767类飞机高于70节的速度的拦停。
出于成本的考虑，本次可安装的EMAS按B737类考虑，即EMAS按81.5米考虑。其前部下沉的EMAS床部分采用回填土。
结语
EMAS系统在已经发生过的多次飞机冲出跑道事件中，成功发挥了拦停飞机，保障人机安全的作用。中国民航经过飞速发展的十几年已成为全球第二大航空运输系统，而EMAS系统在我国尚处于发展初期，EMAS飞机拦停技术的研究与推广对提高我国民用机场的安全保障能力具有重要意义。
参考文献：
[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，FL
[3]DOT/FAA/CT- 93/4，Soft ground arresting systems for commercial aircraft，Interim Report，Feb.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
作者简介：
郭华（1983-），男，内蒙古鄂尔多斯人，工学学士，工程师，从事机场场道工程专业设计工作。
论文作者:郭华1,钟斌2,林志宇3
论文发表刊物:《基层建设》2015年3期供稿
论文发表时间:2015/9/9
标签：飞机论文; 腾冲论文; 跑道论文; 机场论文; 系统论文; 机型论文; 材料论文; 《基层建设》2015年3期供稿论文;