起飛和降落是飛機安全運行的重要環(huán)節(jié)，許多安全事故往往發(fā)生在起飛和降落階段。當(dāng)飛機遭遇突發(fā)狀況沖出跑道時，跑道端攔阻系統(tǒng)將成為保障飛機安全的“減速帶”。
不同于過去傳統(tǒng)的攔阻方式，如今有一項新的攔阻系統(tǒng)成果，它使用的混凝土從外表上看和普通水泥地面沒有差別，但在關(guān)鍵時刻，可在數(shù)秒內(nèi)讓上百噸的“鋼鐵巨獸”溫柔剎車，平穩(wěn)停止。這就是中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司（以下簡稱“中國建材總院”）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建材聯(lián)合會技術(shù)發(fā)明獎二等獎。
提出成本低、性能優(yōu)的“中國方案”
為了保證民航客機起飛和降落安全，國際民航組織要求現(xiàn)代大型機場要在機場跑道盡頭設(shè)置跑道端安全區(qū)。安全區(qū)長度至少為90米，建議達到240米，寬度則必須大于跑道寬度的2倍。一旦發(fā)生飛機沖出跑道的意外情況，安全區(qū)可以將飛機及機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，又不能對飛機造成嚴重損害。人們最初曾利用草地、沙土甚至水池等來充當(dāng)安全區(qū)?！暗@些材質(zhì)都有不小的缺點，如水池容易結(jié)冰、吸引動物，土壤地面對環(huán)境溫濕度十分敏感，力學(xué)性能不穩(wěn)定?！敝袊ú目傇貉邪l(fā)工程師方俊告訴記者，經(jīng)過多年研發(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，它堅硬的外表下是一用力就會破碎的“內(nèi)心”。這種獨特體質(zhì)，讓它具備一種特殊功能——破碎吸能。
當(dāng)上百噸重的大型民航客機沖出跑道、進入安全區(qū)，龐大的機體壓到攔阻系統(tǒng)上時，超輕泡沫混凝土?xí)⒓此榱?，將巨大的沖擊動能吸收，從而讓飛機安全緩慢地停下。
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?！叭绻?，破碎不了就無法吸能；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飛機為例，其要求攔阻用的泡沫混凝土強度要精準(zhǔn)控制在0.30—0.35兆帕范圍內(nèi)?！捌胀ǖ呐菽炷粒瑥姸仍礁咴胶?。我們這個材料在要求強度更低的前提下，波動區(qū)間非常窄?！狈娇≌f，這對超輕泡沫混凝土的生產(chǎn)提出了極高要求。
此前國外的相關(guān)技術(shù)方案采用硫鋁酸鹽水泥作為原材料，其優(yōu)點是硬化速度快，降低了成型難度。但國外飛機攔阻系統(tǒng)價格較貴，許多低成本運行的小型機場難以承受。此外，硫鋁酸鹽水泥本身的性質(zhì)也導(dǎo)致其在長期服役期間易發(fā)生粉化，使得強度大大降低，潰縮性能受到影響?！斑@些材料價格不劃算，本身缺點也比較明顯，因此我們和航科院（北京）科技發(fā)展有限公司團隊決定，自主研發(fā)新一代超輕泡沫混凝土?！狈娇≌f，中國建材總院在水泥等無機非金屬材料研發(fā)領(lǐng)域積累了大量經(jīng)驗，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^類似的泡沫混凝土，主要用于制作保溫材料，有一定的經(jīng)驗積累?！彼f。
雖然有基礎(chǔ)，但用于飛機攔阻系統(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苛的要求，具體的生產(chǎn)技術(shù)方案仍然需要團隊一點點摸索嘗試。
“從發(fā)泡劑、引氣劑的選擇，到成型過程中溫濕度的調(diào)控，我們做了很多試驗，試了很多配方。”方俊介紹，發(fā)泡是超輕泡沫混凝土生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，整個過程就像在混凝土里吹泡泡。但在發(fā)泡時，如果孔壁強度不足，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度，團隊創(chuàng)新性地引入馬來松香基雙子引氣劑，讓引氣劑分子在氣泡膜上緊密排列，形成一道結(jié)實的鎧甲，避免了材料塌陷。
航科院(北京)科技發(fā)展有限公司提供圖片
確保長期服役性能穩(wěn)定
飛機攔阻系統(tǒng)需在戶外長時間服役，如何讓材料在長期風(fēng)吹雨打中依然保持力學(xué)性能穩(wěn)定？針對這一難題，團隊提出兩級調(diào)控超輕泡沫混凝土強度發(fā)展技術(shù)。其原理是通過精準(zhǔn)調(diào)控強度形成過程，讓強度層層釋放。這樣，混凝土在長期服役中，可以通過自身強度的緩慢釋放來彌補因環(huán)境造成的強度損失。
“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度。但是東西一多，強度的來源也變得復(fù)雜，難以精準(zhǔn)控制?！狈娇≌f，要想精準(zhǔn)控制強度形成過程，最好的辦法就是讓強度只來源于水泥，這樣就可以通過精準(zhǔn)調(diào)控水泥的相關(guān)參數(shù)，控制強度形成過程。為此，團隊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強度增長的影響。
但要讓強度按照設(shè)計好的路徑層層釋放，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，強度形成也越迅速。得益于此前積累的大量研究，團隊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，可以在什么時間內(nèi)水化到多少強度，我們摸清了這個關(guān)系?！狈娇「嬖V記者，通過不同顆粒大小水泥的精準(zhǔn)配比，團隊設(shè)計了“窄區(qū)間集中分布、多區(qū)間梯度分布”的多級水化膠凝體系。該體系可按照粒徑與水化時間的關(guān)系，控制超輕泡沫混凝土的潰縮強度，使得強度層層釋放。在此體系作用下，超輕泡沫混凝土在長時間服役中損失的強度得到動態(tài)補充，實現(xiàn)強度動態(tài)平衡。
監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2018年應(yīng)用于高海拔林芝米林機場的攔阻系統(tǒng)，截至目前整體力學(xué)性能波動只有3%，遠低于±10%的設(shè)計波動范圍。目前，該成果已應(yīng)用于全國14個機場跑道，用自主技術(shù)守護每一次安全起降。
