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EMAS系列报道之三——真机试验之路

   

    7月12日,中国具有完全自主知识产权的EMAS(特性材料拦阻系统)正式通过了中国民航局的合格审定并获得工程应用批准。安装EMAS的目的在于阻止飞机冲出跑道。美国联邦航空管理局在关于EMAS的咨询通告中规定,系统设计必须来自现场或实验室的测试。因此,EMAS的测试必不可少。
  中国民航局也明确提出EMAS研发必须通过真机验证试验才能开展下一步的工作。2010年下半年,中国民航科学技术研究院成立了真机验证试验项目组。本文回顾了国产EMAS的真机试验之路。此次真机验证试验不仅是对拦阻系统技术的验证,也是对实施单位开展系统化、集成化科学试验能力的一次检验。
  2011年12月27日10时50分,在天津机场第二跑道上,一架波音737飞机正在加速滑跑,当速度超过65节时,飞行机组按程序关闭发动机继续滑行。随后,飞机以61节的速度冲入事先敷设的拦阻系统,在该系统的拦阻作用下,飞机被拦停在拦阻床内。“实测距离与和我们预测的停止距离就差4%!”,“成功了!”……在大家的欢呼声中,两名飞行员微笑铺着走出驾驶舱。试验后,飞机自行滑回停机坪,经检查,无结构性损伤。这是中国民航科学技术研究院针对其所研发的机场跑道端特性材料拦阻系统(简称EMAS)技术开展的第四次真机验证试验。
  该系列试验2011年12月~2012年3月,在天津机场第二跑道共进行了6次。在2012年3月29日成功进行了最后一次试验后,民航局机场司司长覃章高代表民航局副局长李健在试验现场宣布:拦阻系统真机验证试验圆满成功。该系列试验的成功缘于全体参试人员严谨而科学的工作态度。
  真机试验进行全面检验
  拦阻系统技术涉及材料生产、设计方法、敷设安装、安全性评估、飞机运行等多个学科领域,具有多技术集成的特点。为了对拦阻系统技术进行全面的验证和测试,航科院总工程师姚红宇带领来自飞行力学、发动机、材料力学、信号分析与测试等专业的多名博士组成的核心技术小组在单独对各项分/子技术进行分析测试的基础上,针对系统技术集成要求制订了真机验证试验方案。
  真机验证试验将模拟拦阻系统的正常使用过程,采用真实的飞机以不同的速度滑行冲入拦阻系统,对飞机在拦阻系统中的速度、加速度、停止距离、3组起落架的受力、客舱前部和后部的人体多个部位载荷等参数进行测量,并对拦阻系统的实际效果和各方面的技术进行全面验证与评价。
  核心技术小组经过数十次的调研、咨询、研讨,查阅了上百篇文献资料,深入研究了多方面的试验相关数据,通过分析机型数据对拦阻系统动力学的敏感性,特别是发动机、起落架及机上人员的安全性问题进行了研究,制订了以我国民航运输主力机型为试验用机、冲入速度由小至大、拦阻材料从薄到厚、试验内容从原理验证到全产品应用验证的系列试验方案。
  该方案选取拦阻系统最常面对的波音737飞机,通过一系列地面滑行试验,验证了不同构型的拦阻系统对不同状态飞机的拦阻效果。试验取得的大量数据,为拦阻系统理论模型的完善及其系统技术应用奠定了坚实的基础。
  全面而细致的准备
  2010年下半年,航科院成立了由院主要领导担任组长的真机验证试验项目组,下设模型、材料、测试、飞机、飞行、场地和应急等8个专业小组,其中包括飞行运行、机务维护、适航维修、应急救援等多个领域的专家学者,并联合国内知名高校和航空工业主力科研院所开展真机验证试验的准备工作。
  材料组进行了大量的分析研究实验,测试了拦阻材料的力学性能、环境耐候性和燃烧特性,为全面了解材料特性积累了大量实验数据;模型组在无资料可借鉴的情况下,设计并建造了实验台架装置,并利用这个原创的实验装置,开展了大量实验,对飞机起落架碾压拦阻材料的机理进行了预先研究,完善了拦阻系统设计模型和飞机起落架安全性评估模型,奠定了真机验证试验的理论基础。
  试验中,对测试性能要求最高的就是起落架受力测试,其关键环节就是力传感器标定。测试组在对我国飞行试验测试能力进行全面调研的基础上集合各家所长,连续攻克了适航飞机在无固定条件下大载荷加载、载荷精确标定、捷联陀螺系统安装等多个技术难关,建立了可靠稳定的试验测试系统。
  飞机组在查阅大量机型维护手册的基础上,创造性地提出了飞机起落架安全性的检查程序,解决了传统检查所带来的力传感器反复标定的问题,极大地缩短了试验的准备时间。
  此外,飞行组根据试验的任务和程序,参考飞行手册,分析了飞机在拦阻系统中的滑行特点,针对试验要求创新性地建立了飞行机组的标准操作程序,并在模拟机上进行了验证和演练,最终完成了试验所需的、要求极为苛刻的精准操纵。
  由于飞行试验在运行机场开展,场地组通过分析研究机场航班时刻和空管交通流量的特点,结合试验对场地的要求,制订了试验占用跑道的空间和时间方案,将飞行试验对日常运行的影响降到最小限度;提出的新型敷设方法巧妙地解决了拦阻材料在跑道表面的固定问题。
  面对这种全新的试验,没有任何现成的资料可以照搬。应急组参考有关规章,针对试验风险制订了一整套应急救援预案并进行了多次协同演练,以确保试验顺利进行。
  风险分析确保万无一失
  拦阻系统真机验证试验是中国民航首次利用现役主力机型在正式跑道上所开展的大型试验。在试验过程中,飞机起落架碾压拦阻床,同时受到拦阻系统施加给飞机起落架的拦阻力。这就要求必须准确计算出在试验中飞机及起落架的受力情况,评估飞机和机上人员的安全性。此外,由于试验飞机发动机距地面高度只有不到半米,材料碾压后的细小颗粒极容易吸入发动机中,从而造成飞机发动机损伤。
  核心技术小组对试验可能存在的风险进行了大量科学、细致的分析。针对飞机受损时可能出现的飞机前起落架折断、机头触地,飞机偏出拦阻床/跑道,飞机在床内侧偏翻转、油箱破裂、燃油泄漏起火,飞机冲出拦阻床等四类风险,小组成员经过了详细的分析和仿真计算,最后判定上述四类风险发生的概率微乎其微。
  科研人员一方面对发动机吸入细小材料颗粒的可能性进行深入分析;另一方面开展大量材料颗粒力学和热学实验,研究发动机一旦吸入材料可能造成的损伤,并在此基础上制订了应对方案。
  在应对机组人员可能受到的伤害方面,通过为机上人员配备防护、逃生、救生装备;科研人员制订机上人员紧急撤离预案;控制燃油量和机上人员数量,配置相应的消防车、救护车、医护人员和相关器材等应急预案,将风险降至最低水平。
  通过全面的风险分析,科技人员完全掌控了试验风险,有能力保障试验顺利进行。在一次试验分析研讨会上,一位多年从事飞机飞行试验的外聘老专家说,这是他遇到的第一次能够将可能风险进行如此全面分析的飞行试验。
  试验结果证明系统实用性
  在该系列的试验中,两次低、中速的原理性试验,验证了飞机在拦阻系统中的运动机理,证实了飞机速度、拦阻系统构型对拦阻效果的影响;两次中、高速验证试验,检验了拦阻系统设计方法以及安全性评估方面的合理性和预测飞机停止距离的准确性;两次完整产品集成验证试验,证明了国产拦阻系统产品的实用性。
  科研人员对包括该系统的拦阻能力、仿真模型的计算精度、飞机安全性和机上人员安全性等在内的全部试验数据进行了细致的分析,并对拦阻系统技术的应用进行了全面的评估。结果表明:航科院研发的拦阻系统满足设计要求,部分指标超过国外同类产品;建立的拦阻系统设计模型的精度和准确度不低于国外同类产品;国产拦阻系统已经达到了工程化应用的条件。
  可以说顺利地完成这次涉及多学科、多领域,需要多专业组协同作战的大型试验本身就是一种成功。试验取得的数据与理论计算结果高度一致性,很好地验证了拦阻材料的可靠性以及设计方法的科学性,堪称一次完美的验证。

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