起飛和降落是飛機(jī)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)，許多安全事故往往發(fā)生在起飛和降落階段。當(dāng)飛機(jī)遭遇突發(fā)狀況沖出跑道時(shí)，跑道端攔阻系統(tǒng)將成為保障飛機(jī)安全的“減速帶”。
不同于過(guò)去傳統(tǒng)的攔阻方式，如今有一項(xiàng)新的攔阻系統(tǒng)成果，它使用的混凝土從外表上看和普通水泥地面沒(méi)有差別，但在關(guān)鍵時(shí)刻，可在數(shù)秒內(nèi)讓上百?lài)嵉摹颁撹F巨獸”溫柔剎車(chē)，平穩(wěn)停止。這就是中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中國(guó)建材總院”）所屬水泥新材院聯(lián)合航科院（北京）科技發(fā)展有限公司、中國(guó)民航科學(xué)技術(shù)研究院共同研發(fā)的由超輕泡沫混凝土制成的跑道端攔阻系統(tǒng)。該成果日前榮獲中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
提出成本低、性能優(yōu)的“中國(guó)方案”
為了保證民航客機(jī)起飛和降落安全，國(guó)際民航組織要求現(xiàn)代大型機(jī)場(chǎng)要在機(jī)場(chǎng)跑道盡頭設(shè)置跑道端安全區(qū)。安全區(qū)長(zhǎng)度至少為90米，建議達(dá)到240米，寬度則必須大于跑道寬度的2倍。一旦發(fā)生飛機(jī)沖出跑道的意外情況，安全區(qū)可以將飛機(jī)及機(jī)上乘客受到的傷害降至最低。
安全區(qū)要發(fā)揮作用，就要求其地面材質(zhì)不能太硬，也不能太軟，既要能夠攔住飛機(jī)，又不能對(duì)飛機(jī)造成嚴(yán)重?fù)p害。人們最初曾利用草地、沙土甚至水池等來(lái)充當(dāng)安全區(qū)?！暗@些材質(zhì)都有不小的缺點(diǎn)，如水池容易結(jié)冰、吸引動(dòng)物，土壤地面對(duì)環(huán)境溫濕度十分敏感，力學(xué)性能不穩(wěn)定?！敝袊?guó)建材總院研發(fā)工程師方俊告訴記者，經(jīng)過(guò)多年研發(fā)迭代，超輕泡沫混凝土已成為備受青睞的新一代攔阻材料。
方俊介紹，超輕泡沫混凝土如同混凝土中的“棉花糖”。它內(nèi)部的孔隙率大于80%，每立方米重量只有約200公斤，是普通混凝土重量的十分之一。因此，它堅(jiān)硬的外表下是一用力就會(huì)破碎的“內(nèi)心”。這種獨(dú)特體質(zhì)，讓它具備一種特殊功能——破碎吸能。
當(dāng)上百?lài)嵵氐拇笮兔窈娇蜋C(jī)沖出跑道、進(jìn)入安全區(qū)，龐大的機(jī)體壓到攔阻系統(tǒng)上時(shí)，超輕泡沫混凝土?xí)⒓此榱眩瑢⒕薮蟮臎_擊動(dòng)能吸收，從而讓飛機(jī)安全緩慢地停下。
要練就破碎吸能的超能力，超輕泡沫混凝土的力學(xué)潰縮性能要恰到好處。“如果太硬，破碎不了就無(wú)法吸能；如果太軟，碎得太快，減緩沖擊的作用就比較差?！狈娇〗榻B，以波音747飛機(jī)為例，其要求攔阻用的泡沫混凝土強(qiáng)度要精準(zhǔn)控制在0.30—0.35兆帕范圍內(nèi)?！捌胀ǖ呐菽炷?，強(qiáng)度越高越好。我們這個(gè)材料在要求強(qiáng)度更低的前提下，波動(dòng)區(qū)間非常窄?！狈娇≌f(shuō)，這對(duì)超輕泡沫混凝土的生產(chǎn)提出了極高要求。
此前國(guó)外的相關(guān)技術(shù)方案采用硫鋁酸鹽水泥作為原材料，其優(yōu)點(diǎn)是硬化速度快，降低了成型難度。但國(guó)外飛機(jī)攔阻系統(tǒng)價(jià)格較貴，許多低成本運(yùn)行的小型機(jī)場(chǎng)難以承受。此外，硫鋁酸鹽水泥本身的性質(zhì)也導(dǎo)致其在長(zhǎng)期服役期間易發(fā)生粉化，使得強(qiáng)度大大降低，潰縮性能受到影響?！斑@些材料價(jià)格不劃算，本身缺點(diǎn)也比較明顯，因此我們和航科院（北京）科技發(fā)展有限公司團(tuán)隊(duì)決定，自主研發(fā)新一代超輕泡沫混凝土?！狈娇≌f(shuō)，中國(guó)建材總院在水泥等無(wú)機(jī)非金屬材料研發(fā)領(lǐng)域積累了大量經(jīng)驗(yàn)，這使他們很快就掌握了生產(chǎn)超輕泡沫混凝土所需的基本理論?！拔覀冎白鲞^(guò)類(lèi)似的泡沫混凝土，主要用于制作保溫材料，有一定的經(jīng)驗(yàn)積累?！彼f(shuō)。
雖然有基礎(chǔ)，但用于飛機(jī)攔阻系統(tǒng)的超輕泡沫混凝土在力學(xué)性能、耐久性和耐候性等方面有更嚴(yán)苛的要求，具體的生產(chǎn)技術(shù)方案仍然需要團(tuán)隊(duì)一點(diǎn)點(diǎn)摸索嘗試。
“從發(fā)泡劑、引氣劑的選擇，到成型過(guò)程中溫濕度的調(diào)控，我們做了很多試驗(yàn)，試了很多配方?！狈娇〗榻B，發(fā)泡是超輕泡沫混凝土生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，整個(gè)過(guò)程就像在混凝土里吹泡泡。但在發(fā)泡時(shí)，如果孔壁強(qiáng)度不足，不能支撐起混凝土，便容易引起塌陷；如果發(fā)泡速度太快，“泡泡”會(huì)合并為“大泡”，然后上躥，同樣容易導(dǎo)致材料塌陷。
為了提升氣泡液膜厚度和強(qiáng)度，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入馬來(lái)松香基雙子引氣劑，讓引氣劑分子在氣泡膜上緊密排列，形成一道結(jié)實(shí)的鎧甲，避免了材料塌陷。
確保長(zhǎng)期服役性能穩(wěn)定
飛機(jī)攔阻系統(tǒng)需在戶(hù)外長(zhǎng)時(shí)間服役，如何讓材料在長(zhǎng)期風(fēng)吹雨打中依然保持力學(xué)性能穩(wěn)定？針對(duì)這一難題，團(tuán)隊(duì)提出兩級(jí)調(diào)控超輕泡沫混凝土強(qiáng)度發(fā)展技術(shù)。其原理是通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控強(qiáng)度形成過(guò)程，讓強(qiáng)度層層釋放。這樣，混凝土在長(zhǎng)期服役中，可以通過(guò)自身強(qiáng)度的緩慢釋放來(lái)彌補(bǔ)因環(huán)境造成的強(qiáng)度損失。
“傳統(tǒng)混凝土中，不僅有水泥，還有礦渣、煤灰等活性摻合料，它們都可以提供一定的強(qiáng)度。但是東西一多，強(qiáng)度的來(lái)源也變得復(fù)雜，難以精準(zhǔn)控制?！狈娇≌f(shuō)，要想精準(zhǔn)控制強(qiáng)度形成過(guò)程，最好的辦法就是讓強(qiáng)度只來(lái)源于水泥，這樣就可以通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控水泥的相關(guān)參數(shù)，控制強(qiáng)度形成過(guò)程。為此，團(tuán)隊(duì)提出用惰性摻合料替代活性摻合料稀釋水泥熟料，消除二次水化作用對(duì)強(qiáng)度增長(zhǎng)的影響。
但要讓強(qiáng)度按照設(shè)計(jì)好的路徑層層釋放，還需從水泥本身入手。水泥顆粒粒徑差異顯著，從幾微米到上百微米不等。通常，粒徑越小，水化速度越快，強(qiáng)度形成也越迅速。得益于此前積累的大量研究，團(tuán)隊(duì)成功建立了水泥顆粒度與水化速度之間的準(zhǔn)確關(guān)系。
“多大顆粒的水泥，可以在什么時(shí)間內(nèi)水化到多少?gòu)?qiáng)度，我們摸清了這個(gè)關(guān)系。”方俊告訴記者，通過(guò)不同顆粒大小水泥的精準(zhǔn)配比，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了“窄區(qū)間集中分布、多區(qū)間梯度分布”的多級(jí)水化膠凝體系。該體系可按照粒徑與水化時(shí)間的關(guān)系，控制超輕泡沫混凝土的潰縮強(qiáng)度，使得強(qiáng)度層層釋放。在此體系作用下，超輕泡沫混凝土在長(zhǎng)時(shí)間服役中損失的強(qiáng)度得到動(dòng)態(tài)補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度動(dòng)態(tài)平衡。
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2018年應(yīng)用于高海拔林芝米林機(jī)場(chǎng)的攔阻系統(tǒng)，截至目前整體力學(xué)性能波動(dòng)只有3%，遠(yuǎn)低于±10%的設(shè)計(jì)波動(dòng)范圍。目前，該成果已應(yīng)用于全國(guó)14個(gè)機(jī)場(chǎng)跑道，用自主技術(shù)守護(hù)每一次安全起降。
