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我國民航機場十年科技創新綜述

時間:2020年01月08日   來源:

民航是戰略性產業,在國家開啟全面建設社會主義現代化強國的新征程中發揮著基礎性、先導性作用。建設民航強國,既是更好地服務國家發展戰略,滿足人民美好生活需求的客觀需要,也是深化民航供給側結構性改革,提升運行效率和服務品質,支撐交通強國建設的內在要求。

在過去十年來,在民航局的領導和大力支持下,以中國民航機場建設集團(有限)公司為主力軍的機場科技創新者們,積極進取,在機場建設和科技創新方面取得了巨大的成果。

如今,我國民航機場科技創新正由量的積累轉向質的飛躍,從點的突破轉向系統能力的提升,一系列的新理念、新技術、新方法、新標準、新產品正在深刻影響著行業發展的方方面面。盤點回顧過去十年來的成就與不足,以使我們更好地創新研究,做出更大的成績。

1、十年來所取得的重要科技成果

十年來,民航機場科研工作者,圍繞民航機場建設與運行管理中的難點與重點,結合緊密結合工程實際,依托重大工程項目,開展了關鍵技術、集成技術和創新性技術的研究,如機場規劃與運行的計算機仿真技術、規劃輔助決策支持系統、場道瀝青關鍵技術、道面檢測技術、復雜巖土工程技術、工程材料技術、綠色機場等,取得了可喜的成果:

——形成了以系統檢測為手段、綜合評價與實驗為基礎、綜合研究為核心的機場瀝青道面關鍵技術研究體系;

——圍繞大型復雜機場的安全、高效運行,研究機場選址決策、規劃設計驗證和運行管理關鍵技術,形成了機場運行的系統建模、仿真分析和輔助決策支持為核心的研究體系;

——形成了以試驗檢測為基礎、穩定計算為手段、綜合分析為核心的機場復雜巖土工程研究特色;

——形成了以綠色理論為基礎、系統分析為核心的綠色機場研究特色;

——形成了以實驗為基礎、以強度質量穩定與耐久性為核心的機場工程新材料與新技術研究特色。

機場規劃仿真技術、場道工程新技術、復雜環境下的機場巖土工程技術、機場數字化技術、工程檢測技術、新型環保工程材料、綠色機場等方面取得了可喜的成果,其中部分成果達到了國際先進水平,部分成果實現了轉化和工程化,并逐步向產業化推進。

機場規劃仿真技術 采用以系統建模、仿真模擬、輔助決策為核心的機場規劃方法,科學、精準評估復雜機場規劃方案的可行性,評估方案所能產生的運行效率和環境效益,確定機場運行中可能存在的技術瓶頸,規避潛在沖突和風險,為方案優化提供有效數據支持。

機場障礙物評估系統 自主開發了機場多跑道障礙物評估系統,并運用于場四、五跑道構型研究、新機場選址、新機場戰略規劃等項目的跑道構型研究和凈空分析中,顯著提高了機場規劃效率。

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)技術 機場建設集團是我國民航機場最先開展瀝青道面技術研究和應用的單位,首次在國內機場開展了瀝青道面SMA技術研究,由此引領該技術在全國機場建設中的廣泛應用,已成為機場道面加蓋技術的標準化方案之一。迄今為止,中國民航是國際上第一個建設改性瀝青SMA道面的國家,也是目前在國際上擁有SMA跑道數量最多的國家,總數占全球總量的60%以上。美國國家瀝青技術協會在其研究報告中稱“China is the leader of SMA used in airfield”(中國是SMA技術在機場應用的領先者)。

機場滑模攤鋪技術 民航科技創新引導資金重大專項“基于長壽命運行的機場水泥道面現代化建設成套技術研究”(MHRD20130109)的研究成果使滑模攤鋪技術在中國機場工程建設中首次獲得成功應用,已逐漸為機場道面工程界所接受,并將推進我國機場道面建造技術的升級。

機場巖土工程技術 多項機場高填方,以及軟土、永凍土、濕陷性黃土、紅粘土和膨脹土等特殊土地基處理研究課題的多項科研成果,解決了機場建設中的巖土工程關鍵技術問題。其中,大面積軟土地基處理研究的成果在浦東、虹橋、杭州、福州等機場建設中獲得運用;在機場建設中提出了高填方“三面一體”理論及其配套技術體系,其研究成果在貴陽、九寨、重慶、成都、呂梁、承德等機場工程建設中獲得運用。

機場工程數字化技術 自主建立了機場工程建設質量數字化監控技術系統,自主開發、推廣應用了國產化儀器設備,打破了國外技術壟斷,并取得多項自主知識產權。其成果在成都、桂林、海口、達州等機場工程建設中獲得了運用。尤其是在成都新機場建立了基于云GIS技術架構的數字化施工監控系統,在國內首次實現了對全場500多臺多類型施工機械的全方位、立體化監控,對保證工程質量和工程進度、節約工程造價具有重要的推動作用。

機場道面檢測技術 已建立了成套技術檢測與評價體系,完成了行業技術規范的研究、編制。完成了國內(含港澳臺地區)外100余個機場共計200余項道面檢測與評價,積累大量的檢測數據。

機場工程新材料 自主開發了綠色高性能聚羧酸、抗車撤劑和融雪除冰等工程材料。自主研發的世界上首個適合機場道面干硬性混凝土的聚羧酸類減水劑高分子材料,整體提高了機場混凝土道面質量穩定與耐久性,研究成果已在呂梁、天津、承德、鄭州、重慶等國內十余個機場工程中應用;自主開發的瀝青道面抗車撤劑材料,其研究成果在安哥拉機場等國內外機場工程中得到應用,初步實現了民航行業“走出去”戰略,取得良好的技術經濟效果;自主研發的高耐久高抗裂新材料技術,在哈爾濱機場站坪和高架橋工程中獲得運用;自主研發的碳纖維格柵道面自融雪材料,在北京新機場和哈爾濱機場等機場工程中獲得應用。

綠色機場 首次在世界上提出了綠色機場理念,積極引入先進國家的綠色機場建設技術與經驗,初步在行業構建了綠色機場建設標準體系框架,形成了行業首批綠色機場標準。相關成果已應用于昆明新機場、北京新機場、成都新機場、青島新機場等,并將為我國“十三五”綠色機場建設提供標準指導和技術支撐。

同時,深入研究了“四型機場(平安機場、綠色機場、智慧機場、人文機場)”的內涵、外延、關鍵指標(體系)、落地舉措等,已應用于北京新機場的工程實踐中。

機場航油工程技術 成功研發的機坪管線和油罐罐底感應電纜測漏系統、大口徑DN700浮動出油裝置、三點取樣橇裝設備研發、視窗式質量檢查罐以及先進的自控系統,已在青島新機場、成都新機場工程建設中獲得應用。研發的通用機場橇裝式加油設備在永州機場投入使用,得到一致好評,填補了國內相關產品的空白。

2、服務國家與解決民航安全與發展重大關鍵問題等方面的貢獻

在多年的發展歷程中,通過技術創新和工程實踐,創造了一批優秀工程設計項目,獲得了多項國家及省部級科技進步獎,為民航機場工程建設解決重大或關鍵技術問題做出了卓越的貢獻。

(1)標準編制

中國民航機場建設集團有限公司,率先引進了國際民航組織的相關技術標準,承擔了80%的國家、行業機場工程技術標準的研究和編制,引領了中國機場建設和發展。

(2)機場規劃設計

在國內北京新機場、成都新機場、深圳機場等機場自主開展了大型樞紐機場運行仿真模擬研究。通過仿真,提供可行的優化方案,可在保證安全的前提下,大大節約建設投資或運行成本,同時會提高旅客的舒適性感受。

(3)機場飛行區道面建造技術

完成了機場道面石灰穩定土壤、耐高溫瀝青混凝土道面、無脹縫跑道等研究,并在國內機場工程建設中獲得了廣泛應用。

首次在國際上研究機場SMA(瀝青瑪蹄脂碎石混合料)道面的設計與施工工藝,并在北京首都機場東跑道獲得應用,建成國際上第一條改性瀝青SMA跑道,意義重大,影響深遠。已成為中國民航機場瀝青道面技術的標準化面層,國際民航組織已將其納入標準體系。在此基礎上,研究并實施了嚴寒地區抗開裂技術、炎熱地區抗高溫技術、高原機場防紫外線老化技術,解決中國不同氣候條件、不同地理位置下瀝青道面建設技術,形成了“檢測-實驗-研究-設計-監測”不停航施工一條龍加蓋技術體系,有力地支撐航空運輸業的快速發展,形成了國際領先優勢并推廣至新加坡、港澳臺等國家和地區。

多年來,以其研究成果與實踐經驗為基礎,結合工程繼續開展了多項瀝青道面研究,有效解決了瀝青道面工程中的關鍵技術難題,已形成“檢測-實驗-研究-設計”成套技術研究與服務體系。

研發了具有中國特色的機場水泥道面現代化建造技術——滑模攤鋪技術,徹底改變了我國機場道面建設生產方式已落后國際先進水平數十年的技術現狀,促進了機場建設模式升級,提高機場道面設計、施工的整體技術水平,形成新的產業格局,實現我國機場建設的現代化飛躍,并在北京新機場、鄭州等機場建設中得到初步應用。

在世界范圍內首次攻克了天津機場第二跑道80萬平米超大面積道面全冬期施工的重大技術難題,其成果填補了我國機場大面積冬季施工領域的技術空白,達到國際先進水平。為兌現中國政府如期竣工的承諾及在我國組裝的首架空客A320飛機按期交付做出了貢獻,為我國寒冷地區及高寒高海拔地區機場建設提供了借鑒。

在國際上首創自融雪道面技術,采用具有自主知識產權的熱導管技術將土壤溫度自動傳遞至道面用于融化冰雪,在北京新機場建成國際上第一個自融雪道面工程,實現零污染、零排放,可以大幅提高冰雪條件下機場安全運行能力,減少航班延誤。

(4)機場巖土工程技術

開展了機場大面積軟土地基處理、高填方工程技術的研究和實踐,獲得了多項國家、行業重大科研項目的支持,取得了多項民航科技進步獎,并建立了系列行業技術標準。

首次在康定、稻城機場開展了高高原、冰磧土工程地質環境下的機場建設技術研究和工程實踐,為我國類似環境條件下的機場建設提供了借鑒。

首次在漠河機場開展了永凍土機場建設技術研究和工程實踐,攻克了高緯度連續多年凍土區域建設機場的世界性難題,為我國類似環境條件下的機場建設開辟了先河。

(5)機場工程新材料

自主研發了世界上首個適合機場道面干硬性混凝土的聚羧酸類減水劑高分子材料,整體提高了機場混凝土道面質量穩定與耐久性,填補了高性能減水劑材料在我國機場工程材料領域的技術空白,達到國際先進水平,獲得民航科技進步二等獎,研究成果已在呂梁、天津、承德、鄭州、重慶等國內十余個機場工程中應用,全面實現了產業化。

(6)機場道面檢測技術

建立了中國機場道面檢測與綜合評價體系,為機場道面結構安全與運行評價提供了技術支撐,已完成國內100多個機場、200多項道面檢測項目。

(7)綠色機場研究與實踐

結合昆明新機場建設開展了綠色機場研究和實踐,在世界上首次提出了綠色機場理念及基本內涵,建立了綠色機場建設指標體系和評價方法,研究編制了首批綠色機場標準,為中國乃至全球綠色機場建設提供了示范,并在北京新機場、成都新機場、青島新機場等獲得了推廣。

(8)機場工程數字化技術

在北京大興機場飛行區工程首次試用后,首次在成都新機場全面開展機場數字化技術的研究和應用,為機場工程建設質量的全過程監控提供了最佳解決方案,促進了傳統、平面管理模式向先進、立體管理模式的跨越,推動了機場建設管理的精細化和智能化。

(9)技術與學術貢獻

通過大量研究總結凝練了多項具有中國特色的機場工程技術方法和創新理念,或提供了系統的技術方法,或突破傳統理念提出新的理論并通過實踐驗證,或提出新的技術標準,為中國民航機場建設以及建立新的技術標準規范奠定了基礎。

機場空-地一體化規劃設計方法

在機場規劃設計中,統籌考慮空中及地面影響因素,實現空-地運行銜接順暢、空-地容量匹配、空域規劃與飛行區地面布局協調。在機場規劃中,借助計算機仿真模擬技術對機場空、地運行實施仿真模擬驗證評估,進而優化調整設計方案,最終實現機場設計方案的高效運行,滿足規劃需求。

高原與高高原機場工程技術

高原機場(海拔高度在1500m以上)與高高原機場(海拔高度在2438m以上)建設關系社會經濟發展與國防安全建設大局。由于我國地理特征與民航發展布局需要,我國的高原與高高原機場普遍坐落在風景優美的旅游景區,伴隨十分復雜的高寒氣候條件,地形條件環境復雜,生態脆弱,多為高填方工程,機場周邊基本沒有成熟完善的市政配套,規劃設計與建設在國際上可參照借鑒的經驗相對較少。針對高原與高高原機場工程建設與運行中的問題開展了大量研究,攻克了多項關鍵技術課題,包括基于飛機起飛性能適航性的高原機場設計,高寒高填方工程設計,高海拔、低氣溫與低氣壓條件下的污水處理技術,以及高原機場可再生能源利用等,為我國民航高原與高高原機場建設與運行提供了技術保障。

機場高填方“三面一體控制論”

為了解決機場高填方工程中的一系列工程技術問題,結合大量的工程實踐,在分析歸納高填方機場基本環境、高填方變形機理和基本工程問題的基礎上,提出并建立機場高填方工程的“三面一體控制論”。“三面一體控制論”的核心是:機場高填方工程是一個系統工程,是一個由土石方混合體共同構成的、不同部位承載不同工程功能的復合系統,其工程形態主要由“基底面”、“臨空面”、“頂面”和“填筑體”(如下圖)四個要素構成的“三面一體”。其中“基底面”包含有軟弱層的原地基、填挖交界過渡段及道基頂面等范疇的抽象面,“體”包含不同部位承載不同功能的填筑體。機場高填方系統的沉降變形特征、安全穩定性、工程滿足功能需要的程度受“三面一體”的控制。機場高填方工程的“三面一體控制論”在指導國內機場高填方工程建設、制定行業技術標準等方面發揮了積極作用。該行業標準被國家列為向“一帶一路”區域推薦的標準。

機場大面積軟土地基沉降控制論

建筑在軟弱不均勻地基上的機場道面,地基的沉降與不均勻沉降是造成其不平坦或開裂的關鍵因素之一。結合實際工程開展了深入研究,在綜合考慮工程質量和工程經濟學的前提下,提出了“軟土淺層加固+深部沉降控制”的機場大面積軟土地基沉降控制論,其核心要點是:在滿足機場安全、正常運行和使用的前提下,允許地基產生一定量的沉降變形,合理地控制軟土地基的差異沉降,其主要措施有:

通過有效的淺層地基加固使上部一定范圍內的土層形成一定厚度的硬殼層,確保不出現超過設計要求的工后差異沉降。

合理控制軟弱土層后期的沉降量,使其發展歷程與道面結構的使用壽命相匹配。

在高程、縱橫坡設計中充分考慮地基工后沉降的影響,采取補償設計,以保證道面使用功能的正常發揮。

機場大面積軟土地基沉降控制論,對于指導軟土地基機場的地基處理設計起到了積極作用,在確保機場安全運行的前提下,極大地節約了工程造價,并為行業標準的制定提供了依據。

機場道面“鍋蓋效應”

當機場道面完成后,道面下土中的水分、水氣會由毛細作用和溫度、蒸發等作用而向上遷移,遇到不透氣的道面時,水分蒸發效應受阻而在道面下聚集,即為“鍋蓋效應”。在寒冷地區,“鍋蓋效應”將造成道面下的水分結冰和體積膨脹,當溫度升高時出現凍融循環,由此引起造成地基的不均勻沉降和道面結構開裂,影響機場的安全運行。“鍋蓋效應”是在長期的工程實踐中總結提出的,對于完善寒冷地區機場工程設計與施工組織具有重要的指導作用。

綠色機場理論框架與標準體系

開展了綠色機場研究,并積極推進綠色機場理論框架與標準體系的建立。通過明確綠色機場內涵,分析調研國內外綠色建筑、生態城市的相關標準與指標體系以及國內外機場綠色機場建設管理實踐,結合我國民航發展的要求,構建符合我國國情的綠色機場理論框架。綠色機場標準體系是在充分考慮地域特點的基礎上,按照機場全壽命期建設、運行要求,充分體現機場功能特征,為機場綠色建設提供不同深度、不同類別的綠色機場建設標準,將綠色機場理念全面貫徹到機場選址、規劃、設計、施工、驗收及運行管理的各個環節中。

目前,已經形成行業首批綠色機場行業標準,包括《綠色航站樓標準》(MH/T 5033-2017)、咨詢通告《民用機場綠色施工指南》(AC-158-CA-2017-02)以及咨詢通告《綠色機場規劃導則》(在編)等。綠色機場標準體系的建立,將為中國綠色機場標準建設提供依據,為綠色機場評價、認證體系的建立奠定基礎,促進機場可持續發展與技術進步。

在民航局領導和組織下,突破了機場領域國家級科研項目的空白。實施了國家科技支撐計劃重大項目“綠色機場規劃設計、建造及評價關鍵技術研究”。2018年通過課題驗收,超額完成技術攻關、設備研制、示范驗證、知識產權、成果應用方面的任務指標,突破7項關鍵技術,研制了2個技術系統及平臺、新材料8項、新工法11項,完成了5種類別的試驗驗證和應用示范,制定技術標準規范6項,專著3種,申請專利13項,獲得軟件著作權10項,發表論文55篇,成果應用與轉化2項。

實施了民航科技重大專項“綠色機場評價與健康標準體系研究”項目并等待驗收,超額完成理論創新、軟件開發、示范應用、知識產權、成果應用方面的任務指標,研制了1個技術平臺,完成了1項應用示范,制定技術標準規范1項,登記軟件著作權3項,發表論文6篇,成果應用與轉化2項。

創立了綠色機場理論體系,研制了一批具有自主知識產權的重要新技術設備、新工法,打造了具有世界一流水平的節能、環保、科技、高效、人性化的綠色集成示范工程——北京新機場。測算表明,本項目成果可直接實現機場整體能耗減少至少30%,推廣應用可使全國機場每年節電超過9億千瓦時,節能成本超過10億;每年節能折合15萬噸標準煤,減少CO2排放39萬噸,經濟效益和環境效益巨大。對推動超大型、大型公共建筑的綠色建設具有引領作用,并帶動相關綠色產品的產業化,有力推進了我國綠色機場未來發展。

2015年6月24-26日,參加中國民航發展論壇,主題為“互聯互通:中國民航在‘一帶一路’戰略中的國際視野”。服務于國家,為“一帶一路”貢獻中國智慧。

同時,進行了民航節能減排規劃、民航節能減排的投資成效評估、航空公司及機場節能減排戰略規劃等研究,參與制訂了發展中國家排放責任分配方案,為國家的節能減排體系、為民航的綠色發展做出了重要貢獻。

所制訂的10個標準通過民航局被國家推薦給一帶一路國家和地區,包括《綠色航站樓標準》、《民用機場高填方工程技術規范》等,向世界傳播中國方案、中國智慧。

綠色機場研究及成果,為國際民航組織ICAO所關注和認可,已和首都機場集團公司一起,與ICAO簽署了備忘錄,正在研究一起制訂相關技術規范或標準。

承擔的民航節能減排領域科研項目30余項[3],其中包括國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)、國家科技支撐計劃等,研究成果服務于政府決策、行業企業咨詢,并形成一系列談判案文,直接支撐應對氣候變化的國際航空談判,參加了有關國家聯合組織的反對歐盟排放交易體系的政府間會議,進行大量的面對面的航空節能減排談判會議,為制定公平合理的國際航空運輸全球減排市場化措施貢獻了力量。

3、對未來創新發展的展望

盡管在過去十年里,民航機場科研取得了一些列可喜的成果,但仍然有不少技術問題需要研究。

進入新時代,我國經濟發展由高速增長階段向高質量發展階段轉換,新一輪科技革命和產業變革方興未艾,大眾出行對安全、便捷、品質等方面的關注不斷增強,對成本、質量、效率和環境提出了更高要求。經過幾代中國民航人的接續奮斗,我國已具備從民航大國向民航強國跨越的發展基礎,同時也面臨基礎保障能力不足、資源環境約束增大、發展不平衡不充分現象突出等問題[1]。

未來,需要繼續完善民航科技創新體系,開展機場工程領域工程化研究與開發、突破機場工程領域的共性技術與關鍵技術、加快科技成果轉化與產業化、推進行業技術進步,促進民航早日建成創新型行業,為實現“一帶一路”戰略、“走出去”戰略以及民航強國戰略等發揮支撐作用。

希望到2035年,以機場建設集團及其工程中心為龍頭的機場整體科技實力達到世界先進水平,造就一流水準的機場工程領域科技人才團隊;建成優勢明顯、特色突出的創新平臺與交流平臺;建設和發展機場工程技術創新與應用驗證基地示范;打造機場工程領域的基礎技術研究基地、應用技術開發基地、成果轉化效益基地、核心技術產業基地、創新人才發展基地;成為民航和國家創新體系中的主力軍,成為國際一流的工程中心。

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