防止飞机冲出跑道的最后一道防线：飞机道面拦阻系统

飞机在起飞和降落过程中可能会由于起飞失败或着陆速度过大而发生冲出跑道事故，造成巨大的生命财产损失。仅仅是近些年就发生了多起飞机冲出跑道事故，例如：2018年，美国-孟加拉航空BS211客机在尼泊尔特里布万国际机场降落时冲出跑道撞毁机场围栏，造成52名乘员不幸身亡；2020年，土耳其一架波音737-800客机在伊斯坦布尔萨比哈·格克琴机场降落时滑出跑道，机身折成三部分并发生起火，导致3人死亡和180人受伤；2024年，韩国济州航空公司7C2216航班客机在务安国际机场降落时冲出跑道，与机场围栏碰撞进而发生起火，机上181人中仅2人幸存，成为韩国国内伤亡最为严重的一起空难。

▲ 典型飞机冲出跑道事故

惨重的航空事故一次次地敲响安全的警钟，如何有效地减少或消除飞机在发生冲出跑道事故时所遭受的危害，保障机组人员和乘客的生命安全和最大程度地减少对飞机的损伤，已成为当前机场安全防护技术方面迫切需要解决的问题。然而令人惋惜的是，许多国家的航空运行管理部门更多的是考虑机场经济运行成本，并没有把大型飞机着陆和起飞事故应急拦阻系统作为机场航空安全的重大问题来考虑，导致飞机冲出跑道的惨烈事故一次又一次重演。

▲ 飞机道面拦阻系统

飞机阻拦系统作为一种飞机在起飞或着陆过程中重要的安全防护装置，可以有效地阻拦冲出跑道的飞机，大大提高机场跑道端的安全性。飞机阻拦系统按其阻拦形式大致可分为三种：网式、索式和道面拦阻系统，前两者只适用于质量较小的飞机，对于质量较大特别是重型飞机的拦阻，目前只能采用由工程材料组成的道面式拦阻方式。如今，飞机道面拦阻系统（Engineered materials arresting system, EMAS）已在美国多个机场投入使用，2006年，我国从美国引进了第一个飞机道面拦阻系统并铺设于四川黄龙机场，2013年在云南省腾冲机场安装了我国自主研发的飞机道面拦阻系统。事实证明，飞机道面拦阻系统可以有效防止飞机冲出跑道事故的发生。

▲ 大型飞机全机拦阻实验

飞机道面拦阻系统由泡沫特殊工程材料铺筑而成，主要用于民用航空运输飞机的应急拦阻。当飞机冲出跑道端进入拦阻床后，机轮受到飞机的重力作用而压入道面EMAS系统中，拦阻材料在压碎的同时靠泡沫受力破碎吸收飞机的动能，由此对飞机产生一定的拖滞阻力，通过定量计算和精细设计，该阻力所产生的过载加速度不至于对乘员身体造成伤害，也不会飞机结构造成损伤，但飞机可以获得明显减速运动，并最终停止在拦阻床内。

《飞机道面拦阻系统》（杨嘉陵, 杨先锋, 刘华著. 北京 : 科学出版社, 2024. 12）是一部关于全面介绍飞机道面拦阻系统的专著，内容反映了作者在这一领域的研究成果，重点为民用大型、重型飞机拦阻技术所涉及的科学问题和设计方法研究，注重严谨数学力学模型的建立，拦阻材料的表征，数值仿真和结构优化以及对应的全尺寸飞机的拦阻实验验证等。

作者简介

杨嘉陵，北京航空航天大学教授、博士生导师，教育部长江学者特聘教授。主要从事冲击动力学、塑性力学、仿生力学、飞行器抗冲撞和防护技术研究。曾任中国科协工程力学类专业认证委员会委员，国家评奖委员会评审专家，总参陆航局武装直升机高层专家，教育部教学指导委员会力学专业委员会副主任委员，中国力学学会常务理事，中国航空学会理事以及北京力学会副理事长等。2000年获教育部自然科学一等奖, 2013年获教育部科学技术进步一等奖，2016年获国家发明二等奖。

杨先锋，北京航空航天大学副教授、博士生导师。主要从事冲击动力学、飞行器结构冲击与防护、航天器着陆缓冲设计等研究。以第一/通讯作者在Prog Aerosp Sci, Int. J. Mech. Sci, Int. J. Impact Eng等国际期刊发表SCI论文40余篇，授权国家发明专利10余项，相关研究成果直接应用于大型民机和新一代载人飞船等航空航天重大装备的研制。获得全国爆炸力学优秀青年学者、小米青年学者、中国力学学会王仁青年科技奖、中国力学学会优秀博士学位论文奖等荣誉；入选北京市科技新星计划、国家博士后创新人才支持计划。

刘华，北京航空航天大学教授、博士生导师。主要从事轻质结构的冲击动力学、复合材料力学、纳米力学和飞行器结构冲击与防护技术等研究。主持和参与国家自然基金重点基金、面上基金、青年基金等多项课题，担任国家级精品课《材料力学》课程责任教授，获得全国徐芝纶力学优秀教师奖、北京市第六届青年教师教学基本功比赛理工组一等奖、教育部自然科学奖一等奖、校级优秀主讲教师、凡舟教金一等奖、蓝天科研新星、校级优秀硕士学位论文指导教师等多项荣誉奖励。

北京航空航天大学冲击动力学团队在国家自然科学基金重点项目和面上项目、工信部民机科研项目的资助下，围绕飞机道面拦阻的三大核心科学问题开展了材料级、结构级和整机级的系统化研究。首次提出了飞机道面拦阻过程中的阻力模型，包括压溃阻力、剪切阻力、粘附阻力以及摩擦阻力等，基于该阻力模型与飞机结构安全设计参数结合， 建立了整机拦阻动力学模型，可以有效地预测拦阻过程中飞机的速度历程曲线、加速度历程曲线、飞机拦停距离以及飞机起落架以及机上人员所受载荷。在真机拦阻实验方面，以波音737-300飞机为拦阻目标，完成了飞机道面拦阻系统的整机拦阻实验研究，测量得到的飞机结构动态力学响应表明该拦阻系统能够安全地拦停冲出跑道的飞机。此外，团队针对现有拦阻材料的不足，提出了新型梯度道面拦阻系统和蜂窝材料拦阻系统。

▲ 飞机道面拦阻系统研究概括

从内容上本书共分为九章，

• 第 1 章主要定义什么是飞机拦阻系统，研究和设计这类系统的意义，它的分类、设计标准、结构特征、安装和维护要求等；

• 第 2 章主要概述目前国内外同行关于飞机道面拦阻系统方面的研究现状，也介绍我们在这一领域的研究成果；

• 第 3 章开始进入研究主题，从数学力学的角度出发，分析飞机在拦阻过程中受到的拦阻力类型，运用弹塑性动力学、冲击动力学以及地面力学等相关知识分析机轮阻力产生的机理，确立机轮与拦阻材料的耦合动力学理论模型；

• 第 4 章从多参数理论模型涉及的几个方面去推导机轮在拦阻过程中的基本作用力，将理论模型预测的结果与整机拦阻实验数据进行对比；

• 第 5 章则针对当前设计飞机道面拦阻存在的普适性问题，提出一种能够拦阻多种型号飞机的梯度道面拦阻系统，建立飞机机轮-梯度泡沫混凝土道面拦阻系统的耦合作用理论模型，再使用三维自适应有限元方法，建立对应的有限元模型以验证梯度拦阻系统理论预测结果的有效性；

• 第 6 章主要介绍具有代表性的蜂窝材料的拦阻行为，建立轮胎-蜂窝相互作用的力学模型，分析轮胎-蜂窝之间的耦合作用机理并给出解析解，进一步分析轮胎与蜂窝材料相互作用时的能量吸收与耗散过程；

• 第 7 章主要介绍蜂窝材料动态压缩实验仿真技术，验证金属蜂窝材料在冲击载荷下的变形模式，再结合理论模型进行自主编程，对三种民机机型进入拦阻床的动力学过程进行数值仿真，分析不同机型在蜂窝材料中的拦阻响应特性，为多胞材料在民机拦阻系统中的应用奠定理论基础；

• 第 8 章主要介绍飞机道面拦阻实验的全过程，包括具体的实验方案、飞机机型选择、拦阻床的铺设、实验测量设备及实验结果与理论模型预测结果的分析比较等；

• 第 9 章主要展望飞机道面拦阻系统的发展趋势，特别是各类新型拦阻材料的应用及相关理论模型与计算方法等。

需要说明的是书中的大部分理论工作及一些重要的材料和飞机拦阻实验为作者近年来在国内外重要学术期刊上发表的系列研究成果，包括在国际航空航天高影响力学术期刊 Progress in Aerospace Science 上发表的长篇综述论文等，本书有关章节的系统介绍，能够为从事力学和航空等方面研究的科研人员、技术人员提供广泛而深入的专业技术支持并激发研究人员探索科学研究问题的兴趣与潜能，同时也为推进 EMAS 拦阻系统在我国各类机场的实际应用，保障我国航空业的健康发展作出贡献。

最后要特别感谢在完成本书的整个过程中，我国著名航空航天力学家、材料学家杜善义院士的鼓励、帮助和推荐，他在百忙中详尽地审核了本书的内容并提出了许多宝贵意见。作者还要感谢国家自然科学基金委员会和北京航空航天大学对该项目的大力支持。

本文摘编自《飞机道面拦阻系统》（杨嘉陵, 杨先锋, 刘华著. 北京 : 科学出版社, 2024. 12）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-079829-9

责任编辑：赵敬伟　杨　然

本书是一部关于全面介绍飞机道面拦阻系统的专著，内容反映了作者在这一领域的研究成果，重点为民用大型、重型飞机拦阻技术所涉及的科学问题和设计方法研究，注重严谨数学力学模型的建立，拦阻材料的表征，数值仿真和结构优化以及对应的全尺寸飞机的拦阻实验验证等。本书共分为九章，第 1、2 章介绍飞机拦阻的意义和道面拦阻系统的研究现状；第 3～5 章分别介绍理论模型与数学推导，数值化仿真设计和优化等；第 6、7 章主要介绍新材料在拦阻系统中的应用；第 8 章是全尺寸真机实验验证；第 9 章是发展趋势与展望。

本书可供高等院校、研究院所从事应用力学、航空等专业的研究人员及航空工程单位的技术人员参考。

（本文编辑：刘四旦）

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