基于飛行員主觀評價的機場道面優化設計

姬楊蓓蓓，蘇 凱，八谷好高

(1.上海應用技術學院，上海200235;2.上海市城市建設投資開發總公司，上海200235;3.日本港灣空港建設技術中心，日本久里浜)

日本是一個面積狹長、土地資源非常有限的島國，為了節省土地和保護環境，東京羽田國際機場第4跑道規劃建于東京灣東側的人工島上。但是由于跑道西側的1/3位于多摩川的入海口位置，如果仍采用筑島的方式會阻斷河水的入海通道。經多次討論，最終決定采用以橋代路的方式解決這個問題，即西側的1/3采用橋梁結構，總長大約1 000m。羽田國際機場第4跑道的設計方案見圖1，其主要技術難點是采用了套件結構，包括橋面板、鋼梁、鋼桁架和墩柱，一個標準的套件結構63m長，45m寬［1］。

在飛機的荷載作用下，橋面會發生彎曲變形，道面的最大彎沉主要取決于套件結構兩相鄰墩柱的跨度和橋面板的厚度，同時套件結構墩柱的數量和橋面板的厚度也影響工程造價。筆者擬通過飛行員主觀評價的方法對橋面板厚度和套件結構跨度進行優化，并對過渡段的不均勻沉降標準進行探討。

圖1 東京羽田國際機場第四跑道規劃Fig.1 The Fourth Runway of Tokyo International Airport

1 研究方法和目標

在機場跑道上直接做實驗，既需要大量的時間又需要大量的經濟投入，而且結果易受多種因素的影響，具有不確定性。因此筆者采用飛行模擬器來進行模擬試驗，通過有限元程序計算不同彎沉和沉降情況下的道面曲線，然后輸入到動態響應程序得到駕駛艙內的豎直加速度，再把產生的加速度結果輸入到飛行模擬器中，飛行員即可判斷該條件下的乘坐舒適性和操作安全性。最后通過對試驗結果進行定性分析，確定合適的套件結構長度、橋面板厚度和路橋過渡段的錯臺標準。

2 飛行模擬試驗

2.1 飛行模擬器

飛行模擬器允許在安全可控的條件下進行飛行模擬試驗，既經濟又具有可重復性，已被廣泛應用于車輛的設計和飛行員的培訓［3－5］。筆者采用了兩種飛行模擬器，分別可以模擬Boing 747－400和DC 9－81兩種飛機(圖2)。每個模擬器由一個1∶1比例的駕駛艙和操作系統組成，其中操作系統包括運動平臺、控制面板、視覺系統和音響系統，駕駛艙可以進行六自由度運動。借助飛行模擬器，飛行員可以體驗到與飛機在跑道上滑行一樣的感覺，從而可以對路面的狀態進行評價。

圖2 Boeing 747－400和DC 9－81飛行模擬器Fig.2 Flight simulators of Boeing 747 －400 and DC 9 －81

2.2 試驗步驟

試驗步驟如圖3。首先通過有限元計算出不同結構下的道面變形曲線并輸入到APRas程序中，預測各種運行條件下的動態響應［6］;然后將得到的加速度值輸入到飛行模擬器中，在駕駛艙內飛行員根據自己的感受對道面的狀態進行評價。最后，根據飛行員的評價結果，可以綜合分析優化道面結構。

圖3 飛行模擬試驗步驟示意Fig.3 Schematic graph of flight simulation procedure

兩種飛行模擬器在起飛時，速度均從0節變化到150多節(1節=1.85 km/h)，而著陸時則使用自動剎車系統減速。圖4給出了典型起飛和降落時的速度及加速度變化曲線。本次試驗共邀請了14位資深飛行員參加，其中6人目前駕駛小型噴氣式飛機，6人駕駛大型噴氣式飛機，另外2人來自日本國家航空局。在飛行模擬試驗過程中，要求他們從飛行操作安全角度和飛機乘坐舒適度性角度對道面狀況進行評價。評價系統設計為4個等級，操作安全性:A不困難，B一般，C困難，D很困難;乘坐舒適性:A舒服，B一般，C不舒服，D很不舒服。

圖4 典型的飛機速度和加速度變化曲線Fig.4 Typical aircraft speed and acceleration curve

2.3 試驗設計

Boeing747飛行模擬器工作的自振頻率為0～60 Hz，DC 9－81的工作頻率為0～30 Hz。試驗中Boeing747降落和起飛的重量為288 036 kg和365 783 kg，DC 9－81則分別為49 805 kg和51 619 kg。試驗時選擇東京灣地區代表性氣象條件:大氣溫度15℃，無風和海拔高度為0m。

機場跑道橋面板的厚度和套件跨度是影響荷載下道面變形曲線的主要因素。試驗中，研究了8種道面變形曲線，對應4種套件跨度和2種橋面板厚度(表1)，每種結構組合均能滿足飛機荷載的承載要求。在計算道面變形曲線時，瀝青層厚度取20 cm，能夠滿足使用期內抗裂縫和抗車轍的要求。根據上述飛行模擬試驗結果，可以確定行駛安全性和乘坐舒適性最優的道面結構，在此基礎上可以進一步研究橋路基過渡段不均勻沉降標準的合理控制值。

表1 飛行模擬試驗設計Tab.1 Experimental design of flight simulation tests

3 試驗結果和分析

3.1 彎沉對操作安全性和乘坐舒適性的影響

試驗結果列于表2。可以看出，隨著彎沉的增加，飛行員對操作安全性和乘坐舒適性的評價逐漸變差。相對而言，乘坐舒適性的評價受彎沉的影響更大。2個模擬器中，大飛機對路面平整度的變化更為敏感。總體而言，2種飛行器起飛和降落過程中對駕駛員的影響無顯著差異。

表2 彎沉對操作安全性和乘坐舒適性的影響Tab.2 Effect of deflection on operation safety and riding quality

將表2結果寫入到圖5和圖6中。在相同橋面厚度、不同套件跨徑的條件下，較長的跨度(30m)比短跨度(15m)條件下的操作安全性和乘坐舒適性要差。例如，橋面板厚度為32 cm時，短跨徑的道面結構在操作安全性(乘坐舒適性)上被飛行員評價為不難(不舒服)或更差，而60%的飛行員評價長跨度的道面結構短難以操作(不舒服)或很難操作(很不舒服)。相對而言，乘坐舒適性對道面平整度的要求更為嚴格，因此筆者重點對行駛舒適性進行研究。

基于50%飛行員評價跑道為不舒服或更差，道面結構DEF－1－1.5和 DEF－2－2.0的舒適性和安全性是可以接受的。前一種情況的道面板厚度較薄，但墩柱數量較多，經濟性不如后一種情況，所以最終確定道面板厚度42 cm、套件結構跨度15m。

圖5 不同彎沉情況下的飛行操作性評價Fig.5 Operation safety evaluation of runway with different deflection

圖6 不同彎沉情況下的乘坐舒適性評價Fig.6 Riding comfort evaluation of runway with different deflection

3.2 橋路基過渡段不均勻沉降對操作安全性和乘坐舒適性的影響

試驗結果見圖7。與前面的分析結果類似，操作安全性和乘坐舒適性隨著過渡段不均勻沉降量(機場跑道中橋梁和道路相鄰處的沉降差)的增加而變差，從舒適性的角度看這種變化規律更為明顯;大飛機對不均勻沉降量的變化較小飛機敏感。依據50%的飛行員評價為不舒服或更差這一標準，橋路基過渡段不均勻沉降量應小于4 cm。

圖7 不同錯臺情況下道面的安全性和舒適性Fig.7 Operation safety and riding quality evaluation of runway with different joint faulting

4 結論

通過試驗研究及分析，可得出如下結論:

1)不管飛機的類型和運行模式，飛行操作安全性和飛機乘坐舒適性均隨著機場道面彎沉和過渡段不均勻沉降量的增加而變差。

2)相對而言，乘坐舒適性對道面的要求更為嚴格。

3)30m跨徑、42 cm板厚的套件結構可以獲得較好的安全性和舒適性。

4)路基和橋梁過渡段的不均勻沉降量不宜超過4 cm。

［1］Hachiya Y，Maekawa R，Su K.Laboratory performance of pier deck pavement for new runway D at Tokyo Haneda International Airport［C］//6th International Conference on Road and Airfield Pavement Technology.Sapporo:［s.n.］，2008.

［2］Ishida T，Shirakawa T，Kawamura A，et al.Using the KIT driving simulator to evaluate road surface roughness［C］//TRB Annual Meeting.Washington，D.C.:TRB，2007.

［3］Wickey C，Printant P，Le C.Faros driving simulators for training:concepts，syllabus and validation［C］//Proceedings of the Driving Simulation Conference.Paris:［s.n.］，2001.

［4］Lee W S，Cho J H.Development of a new Kookmin University driving simulator and its application to a sudden acceleration study［C］//Proceedings of the Driving Simulation Conference.Paris:［s.n.］，2002.

［5］Ishida T，Kawamura A，Tomiyama K.Quantitative evaluation of ride comfort using a driving simulator［C］//TRB Annual Meeting.Washington，D.C.:TRB，2008.

［6］Endo K，Himeno K，Kawamura A，et al.Longitudinal surface profiles of an airport runway and aircraft motion［C］//Proceeding of the 2002 FAA Airport Technology Transfer Conference.Atlantic City:［s.n.］，2002.

［7］Janoff M S.Pavement roughness and ride ability field evaluation［C］//TRB Annual Meeting.Washington，D.C.:TRB，1988.