起飛和降落是飛機安全運行的重要環(huán)節，許多安全事故往往發(fā)生在起飛和降落階段。當飛機遭遇突發(fā)狀況沖出跑道時(shí)，跑道端攔阻系統將成為保障飛機安全的“減速帶”。
不同于過(guò)去傳統的攔阻方式，如今有一項新的攔阻系統成果，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，可在數秒內讓上百?lài)嵉?ldquo;鋼鐵巨獸”溫柔剎車(chē)，平穩停止。這就是中國建筑材料科學(xué)研究總院有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“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。該成果日前榮獲中國建材聯(lián)合會(huì )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代大型機場(chǎng)要在機場(chǎng)跑道盡頭設置跑道端安全區。安全區長(cháng)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，安全區可以將飛機及機上乘客受到的傷害降至最低。
安全區要發(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(lái)充當安全區。“但這些材質(zhì)都有不小的缺點(diǎn)，如水池容易結冰、吸引動(dòng)物，土壤地面對環(huán)境溫濕度十分敏感，力學(xué)性能不穩定。”中國建材總院研發(fā)工程師方俊介紹，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(huì )破碎的“內心”。這種獨特體質(zhì)，讓它具備一種特殊功能——破碎吸能。
當上百?lài)嵵氐拇笮兔窈娇蜋C沖出跑道、進(jìn)入安全區，龐大的機體壓到攔阻系統上時(shí)，超輕泡沫混凝土會(huì )立即碎裂，將巨大的沖擊動(dòng)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。“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。”方俊介紹，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控制在0.30—0.35兆帕范圍內。“普通的泡沫混凝土，強度越高越好。我們這個(gè)材料在要求強度更低的前提下，波動(dòng)區間非常窄。”方俊說(shuō)，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(diǎn)是硬化速度快，降低了成型難度。但國外飛機攔阻系統價(jià)格較貴，許多低成本運行的小型機場(chǎng)難以承受。此外，硫鋁酸鹽水泥本身的性質(zhì)也導致其在長(cháng)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。“這些材料價(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)展有限公司團隊決定，自主研發(fā)新一代超輕泡沫混凝土。”方俊說(shuō)，中國建材總院在水泥等無(wú)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。“我們之前做過(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)驗積累。”他說(shuō)。
雖然有基礎，但用于飛機攔阻系統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(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，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(lái)松香基雙子引氣劑，讓引氣劑分子在氣泡膜上緊密排列，形成一道結實(shí)的鎧甲，避免了材料塌陷。
確保長(cháng)期服役性能穩定
飛機攔阻系統需在戶(hù)外長(cháng)時(shí)間服役，如何讓材料在長(cháng)期風(fēng)吹雨打中依然保持力學(xué)性能穩定?針對這一難題，團隊提出兩級調控超輕泡沫混凝土強度發(fā)展技術(shù)。其原理是通過(guò)精準調控強度形成過(guò)程，讓強度層層釋放。這樣，混凝土在長(cháng)期服役中，可以通過(guò)自身強度的緩慢釋放來(lái)彌補因環(huán)境造成的強度損失。
“傳統混凝土中，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(lái)源也變得復雜，難以精準控制。”方俊說(shuō)，要想精準控制強度形成過(guò)程，最好的辦法就是讓強度只來(lái)源于水泥，這樣就可以通過(guò)精準調控水泥的相關(guān)參數，控制強度形成過(guò)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(cháng)的影響。
但要讓強度按照設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(zhù)，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確關(guān)系。
“多大顆粒的水泥，可以在什么時(shí)間內水化到多少強度，我們摸清了這個(gè)關(guān)系。”方俊介紹，通過(guò)不同顆粒大小水泥的精準配比，團隊設計了“窄區間集中分布、多區間梯度分布”的多級水化膠凝體系。該體系可按照粒徑與水化時(shí)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(cháng)時(shí)間服役中損失的強度得到動(dòng)態(tài)補充，實(shí)現強度動(dòng)態(tài)平衡。
監測數據顯示，2018年應用于高海拔林芝米林機場(chǎng)的攔阻系統，截至目前整體力學(xué)性能波動(dòng)只有3%，遠低于±10%的設計波動(dòng)范圍。目前，該成果已應用于全國14個(gè)機場(chǎng)跑道，用自主技術(shù)守護每一次安全起降。(都 芃)
