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EMAS系列报道之二——掌握核心技术的幕后

    国外从开始研发EMAS系统到最终实际应用,耗时10余年。在材料选用、仿真计算和验证等方面均经过多次改进和完善,才最终通过民航主管机构的审定,并获得应用许可。而中国民航要研发具有自主知识产权的、达到实际工程应用水平的EMAS系统,却面临着时间紧、任务重、基础技术资源不足、大型高新技术项目研发和管理经验缺乏等重重困难。
 
    2012年6月14日,民航局EMAS(特性材料拦阻)系统行业审定工作领导小组在北京召开了EMAS行业审定会。EMAS系统行业审定工作领导小组认为,中国民航科学技术研究院(简称“航科院”)主导研发的EMAS系统,具备了EMAS系统的工程化应用设计、生产和施工组织能力。真机试验表明,该系统具备拦阻效能,可以开展工程化应用,同意通过审定。
  这标志着我国全面掌握了EMAS系统的各项核心技术,成为全球第二个掌握该项技术的国家。而在这背后,中国民航勇于创新、克服种种困难,成功突破国外技术封锁,用2年时间走过了国外10余年的历程。
  打破垄断困难重重
  EMAS系统的研究是一项非常巨大的系统工程,美国联邦航空局(FAA)与相关研究机构自上世纪80年代就开始了研究与探索。他们花费了10余年时间,最终于1996年,首次在美国肯尼迪国际机场进行了试验性铺装,取得了良好的效果,曾多次避免了冲出跑道事故的发生。但相关关键技术对其他国家严格保密,形成了对机场跑道端拦阻系统关键技术的垄断格局。
  为了打破国外对拦阻系统的技术垄断,实现拦阻材料生产、拦阻系统设计的国产化,尽快攻克我国自主创新的机场跑道拦阻系统关键技术,2010年,按照民航局副局长李健的指示,航科院成立由院主要领导挂帅的研发团队,开始了艰难的EMAS系统的研发之路。
  据EMAS系统项目组相关负责人介绍,EMAS系统最核心的技术有两项:一是同时满足力学性能、环境耐候性和使用安全性要求的EMAS系统单元体材料生产技术,二是可以准确模拟各种机型拦阻效果的EMAS系统拦阻特性仿真技术。掌握核心技术,最关键就是要掌握这两项技术。
  国外从开始研发EMAS系统到最终实际应用,耗时10余年。在材料选用、仿真计算和验证等方面均经过多次改进与完善,才最终通过民航主管机构的审定,并获得应用许可。而中国民航要研发具有自主知识产权的、达到实际工程应用水平的EMAS系统,却面临着时间紧、任务重、基础技术资源不足、大型高新技术项目研发和管理经验缺乏等重重困难。
  坎坷创新路
  EMAS系统是利用泡沫材料的溃缩吸能机理来实现安全拦停飞机的,因此能够满足力学性能、环境耐受性和使用安全性等要求的泡沫材料,是整个EMAS系统研发的基础。研发EMAS系统单元体材料有两个技术难点,一是特性泡沫材料生产技术及其力学性能表征方法,二是EMAS系统单元体防护顶盖和封装技术。如何在紧迫的时间内攻克技术难点?航科院选择了“借力”研发,协同创新,与对材料具有一定研发基础的公司合作,共同研发EMAS系统单元体材料。
  为解决特性泡沫材料生产技术及其力学性能表征方法这个难题,航科院还联合多家院校反复调整配方和工艺,尝试各种力学性能测试与表征方法,攻克了一个个技术堡垒,最终生产出了性能符合审定要求的泡沫材料。相比传统方法,项目组成员发明的EMAS系统材料力学性能双孔侵彻试验方法,更加真实地反映了材料的力学性能,并已申请了专利。
  技术创新的道路并不是一帆风顺的。在破解另一个技术难点——EMAS系统单元体防护顶盖和封装技术——时,就出现了问题。单元体防护顶盖和封装技术直接关系到EMAS系统是否有效,直接关系到是否会导致飞机无法拦停或飞机结构受损。在民航局组织的第5次EMAS系统真机验证试验中,就出现了不理想的现象,其中一个重要的原因就是顶盖材料和封装技术存在缺陷。因此,项目组重新分析确定了顶盖材料的各项性能要求和指标,经过反复的试验、分析,研发出了玻璃钢顶盖的基本配方和工艺。为了保障材料能在最短时间内研发成功,航科院采取了边试制、边测试、边改进的策略,调动了一切相关资源进行保障。生产第一批样件时,项目组成员在生产车间连着两个通宵指导生产,组织性能测试,对出现的各种情况现场采取措施解决。负责阻燃性能、毒性等使用安全性测试的民航局航油航化审定中心也积极配合。最终,他们在最短的时间内成功研发出各项性能符合要求的新顶盖,保证了第6次真机试验按时成功进行。
  EMAS系统单元体材料也在短短一年半时间内研发成功。全面的性能测试和分析显示,国产EMAS系统单元体材料力学性能、环境耐候性和使用安全性等性能,达到了EMAS系统设计和民航局行业审定要求。
  “创”出来的仿真计算技术
  EMAS系统仿真计算技术涉及飞机动力学、起落架动力特性、机轮与特性泡沫材料相互作用等重要技术,是整个EMAS系统研发中最核心的技术,是EMAS系统能否进入工程应用的关键,也是局方对整个EMAS系统进行审定的重中之重。开发的仿真计算模型是否准确,直接影响到能否准确计算各机型在不同入床速度下的停止距离,能否准确计算出整个拦停过程中飞机起落架以及机上人员所受载荷。
  由于国外技术的全面封锁,EMAS系统仿真理论模型没有任何经验可借鉴。航科院专门组成了以总工程师姚红宇博士为组长,史亚杰、孔祥骏、肖宪波和曾亮4位博士为成员的EMAS系统仿真模型开发小组。
  国外公司进行EMAS系统研发时,花费巨资购买一些机型的相关参数,大大降低了整个仿真问题的难度。而航科院的开发团队只能通过查阅相关资料和实际测量等方法,建立有关飞机、起落架结构和动力特性的模型,并通过不断迭代来验证完善,这大大增加了建立仿真模型的工作量和难度。为了获得不同机型的起落架参数,项目组成员先后前往AMECO、天津机场、江西南昌机场对相关机型的起落架结构和相关关键数据进行实地测量。
  为了对所建立的理论和模型的正确性进行验证,航科院又联合中航工业的研究所创新性地设计建造了EMAS系统台架试验验证装置。他们利用该装置在较低成本与较小安全风险的情况下,对模型进行了大范围验证和修正,最终开发出适用于不同机型、计算准确性满足审定标准的具有自主知识产权的EMAS系统仿真计算模型和软件。
  在掌握EMAS系统核心技术的同时,航科院针对EMAS系统工程应用的要求,还掌握了针对具体机场的EMAS系统设计和铺设方法等重要技术,制定了EMAS系统拦阻床地基设计要求等多个企业标准,覆盖了从材料的生产到使用维护的整个过程。
  国产EMAS系统的推广应用,中国民航已经全面做好了准备。

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