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下載手機APP 一、前言
南極具有獨特的地緣價值、氣候環(huán)境、潛在資源，對人類可持續(xù)發(fā)展、構建人類命運共同體具有重大意義，也是世界強國競爭與合作的焦點。氣候變暖導致的冰蓋快速融化，正在加速釋放南極地區(qū)的科研、經(jīng)濟、安全等戰(zhàn)略價值，世界強國在南極的影響力競爭進入了由氣候變化驅動的地緣政治時代 [1]。在《南極條約》的規(guī)范下，世界強國主要采取在南極開展科學考察的方式來發(fā)揮影響力。實施南極科學考察，依賴于物資運輸、人員投送、裝備支持 [2]，其中物資與人員投送能力是科學考察規(guī)模的決定性因素。
鑒于南極特殊的地理位置 [3]，南極大陸和其他大陸之間的交通運輸只能通過海運、航空運輸實現(xiàn)。然而，海運需要借助破冰船且時間段有限(當年 11 月至次年 3 月)，運輸周期的局限性明顯;南極大陸沿海沒有港口基礎設施、海岸導航設施，物資裝卸效率低下，進一步制約科學考察任務的實施效率。相比之下，航空運輸具有往返周期短、直抵目的地、投送效率高、覆蓋范圍廣等顯著優(yōu)勢[2]。極地科學考察強國，包括美國、俄羅斯、澳大利亞等國在內(nèi)均大力發(fā)展南極航空運輸，在物資與人員投送能力方面相比我國具有明顯優(yōu)勢 [3]。因此，在南極建設大型機場、發(fā)展南極航空運輸網(wǎng)，將是我國由極地大國邁向極地強國的必經(jīng)之路。
本文從工程技術發(fā)展現(xiàn)狀梳理與未來展望的角度，開展我國南極機場冰雪跑道的綜合性技術研究;凝練技術性挑戰(zhàn)，總結設計方案與關鍵技術，提出重點研究工作建議，以期為我國的南極大型機場建設提供工程技術方面的先導性借鑒。
二、南極機場現(xiàn)狀分析
(一)南極冰雪機場分類
南極機場主要依據(jù)建造位置、跑道類型、起降飛機類型進行劃分。根據(jù)機場建設位置、跑道類型大致分為冰雪機場、礫石機場 [2,4,5](見表 1)。其中，冰雪機場跑道根據(jù)工程環(huán)境、道面材料進一步細分為海冰跑道、藍冰跑道、雪橇跑道、壓實雪層跑道。
表 1南極現(xiàn)存機場的跑道類型及數(shù)量
注：冰雪機場劃分依據(jù)跑道建造位置。
1. 海冰跑道
在海冰上建設跑道，分為季節(jié)跑道、臨時跑道 [3,6]。目前，南極的海冰跑道通常建在接岸固定冰上，一般要求海冰的厚度大于 2 m、海冰不破裂、表面融化程度不高、沒有較厚的積雪 [7,8]。海冰跑道的表層平整與壓實處理的難度相對較小，可滿足雪橇式、輪式飛機的起降要求，但建設運營成本較高。
2. 藍冰跑道
藍冰是密實化充分的冰川冰，在特殊的地形、氣象條件下暴露于南極冰蓋表面。在南極地區(qū)可建設冰雪機場跑道的區(qū)域中，藍冰區(qū)為優(yōu)選：藍冰密度與硬度較高，作為跑道的基礎層，具有天然的結構強度優(yōu)勢;表層無積雪，僅需對冰面進行平整與刻槽處理，成本較低。然而，南極的藍冰區(qū)域極少，占冰蓋表面積不超過 1% [6];已經(jīng)建設使用的藍冰機場跑道僅有 6 條，均可進行中 / 重型輪式運輸機的起降。
3. 雪橇跑道
雪橇跑道屬于簡易雪面跑道，通常修建在冰架和冰蓋上，施工技術僅限于簡單的平整與壓實處理，建造相對容易、成本不高;但由于表面雪層硬度不足，只能起降小型雪橇式飛機，無法進行中 / 重型輪式運輸機起降。目前，南極建造的冰雪跑道大多為此類，通常作為季節(jié)性跑道使用(南極夏季)，如我國在昆侖站、泰山站附近建設的臨時跑道，俄羅斯在東方站、美國在南極點建設的跑道。
4. 壓實雪層跑道
受南極實地條件限制，當無法在科考站周圍找到合適的藍冰區(qū)時，為了實現(xiàn)中 / 重型輪式運輸機起降，美國、俄羅斯分別研發(fā)了人工雪面改造技術，在冰架或冰蓋上(非藍冰區(qū))通過大面積施工，建設人工改造雪層跑道。此類跑道的技術難度較高，主要擁有方(美國、俄羅斯)的施工方法各具特色;盡管建設成本較高，但維護成本相對較低，在南極具有更強的地理因素適配性，對選址條件要求較低，應是我國在南極建設大型機場的首選。
(二)國外冰雪機場建設現(xiàn)狀
南極具有代表性的機場是麥克默多機場，由美國在世界上規(guī)模最大的南極考察站(麥克默多站)附近修建。麥克默多機場主要為美國的南極科學考察工作提供支持，如根據(jù)需要在麥克默多站、位于南極點的阿蒙森斯科特站之間往返飛行運輸(見圖 1);可起降 C-5、C-141、C-130 等中大型軍用運輸機，具有西南極航空樞紐地位 [9]。俄羅斯新扎列夫考察站藍冰機場、挪威 Troll 考察站藍冰機場，是從南非開普敦方向進出南極的樞紐站，跑道能夠起降伊爾–76 重型運輸機，支持洲際航程的物資與人員投送。澳大利亞威爾金斯考察站機場的藍冰跑道，以商業(yè)運輸模式實現(xiàn)了澳大利亞本土(霍巴特)連接東南極澳大利亞凱西站的物資與人員投送能力 [9]。英國在藍天野外考察站建有藍冰跑道，在哈雷研究站建設雪面跑道以供 BT-67 運輸機(安裝滑雪板)起降。
圖 1南極科考站分布
(三)我國南極冰雪機場建設與運用經(jīng)驗
2008 年，我國購置并運用了第一架適應極區(qū)飛行條件的固定翼飛機(原型機為美國巴斯勒 BT-67 運輸機，國內(nèi)命名為雪鷹 601)(見圖 2)，完成飛機基礎性能測試、科研儀器觀測集成、地面保障體系檢測等工作;作為配置橇板的短程飛機，無法完成較大載重條件下的洲際飛行[10]。目前，中國僅利用雪鷹 601 飛機完成昆侖站、泰山站、中山站附近的冰蓋表面雪上建設跑道飛行試驗，在跑道建設過程中對自然雪層進行了平整處理;依然不具備在南極建設和運營壓實雪面跑道、開展重型運輸機 / 中程客機飛行起降的相關經(jīng)驗。
圖 2中國雪鷹 601 固定翼飛機及其東南極冰蓋的后勤與科研飛行路線(2015—2020 年)
相比其他極地航空大國，我國極地航空仍處在起步階段，僅有 1 架固定翼飛機執(zhí)行南極冰蓋內(nèi)陸飛行運輸任務，洲際航空運輸仍依托于澳大利亞等國的商業(yè)運輸能力;機場地面保障設施不完善，沒有大型洲際機場，也不掌握海冰、藍冰、壓實雪層等類型跑道的建造和運維技術。這一基本狀況，難以滿足我國向極地科學考察強國邁進的宏觀需求。
三、我國冰雪機場建設面臨的挑戰(zhàn)
南極極端而復雜多變的氣候環(huán)境、生態(tài)與戰(zhàn)略利益的敏感性，敦促我們重視南極冰雪跑道的發(fā)展研究，厘清冰雪跑道建設面臨的工程難題與技術瓶頸。
(一)機場跑道選址
建設海冰、藍冰或壓實雪層跑道，對選址環(huán)境有著苛刻而具體的要求，如掌握冰雪的變質(zhì)過程，分析溫度梯度、融化–凍結轉換等細節(jié)。藍冰區(qū)通常會存在大量的冰裂隙，開展準確的探測與定位，需要運用先進的探冰雷達、衛(wèi)星遙感等手段。重點進行候選地區(qū)的系列冰表面地形、冰體物理化學性質(zhì)與內(nèi)部結構及動 / 熱力學、表面大氣狀態(tài)的系統(tǒng)調(diào)查，通過航空攝影、衛(wèi)星遙感等方式測量冰表面形態(tài)，使用雷達等地球物理方式探測海冰或冰蓋內(nèi)部結構、裂隙、融化、表面滲透，選擇性實施現(xiàn)場鉆取冰樣等前期工作。這些工作涉及多學科交叉、多類技術綜合運用，理論研究與實踐運用具有一定的難度。
(二)機場跑道建設技術
建設能起降中 / 重型輪式運輸機的冰雪跑道，離不開強大的后勤供應保障，因此一般選擇在較為成熟的科考站附近開展機場建設?？瓶颊镜淖匀坏乩項l件可能與冰雪跑道建設需求不匹配，如在中山站周圍 60 km 內(nèi)不具備藍冰跑道建設的自然條件。這是因為，區(qū)域內(nèi)藍冰區(qū)的表面硬度不足，加之裂縫過多，難以承載重型運輸機起降;區(qū)域內(nèi)的海冰在夏季會發(fā)生破裂，無法建設海冰跑道。我國宜選擇壓實雪層跑道技術路線，規(guī)劃和建設壓實雪層跑道 [11]。
目前世界上只有美國、俄羅斯完全掌握該項技術，且各自的技術特征、施工方法均有所不同;已有的多數(shù)南極機場跑道的經(jīng)驗知識、建造技術、設計方法依賴于美國陸軍工程兵寒區(qū)研究與工程實驗室在 20 世紀五六十年代通過大量實驗積累的研究基礎。值得指出的是，我國在設計和建造大型藍冰機場或大型壓實雪層跑道方面，無論是設計參數(shù)、技術手段，還是特殊施工裝備都基本屬于空白。在相關國家技術封閉的客觀條件下，我國應采取獨立自主開展技術攻關和工程驗證的發(fā)展之路。
(三)機場跑道施工與維護
與鋼筋混凝土不同，冰雪是一種壓縮強度高、抗拉強度很低的固體材料;以冰雪作為地基的路面，在運輸機起落裝置的壓力作用下可能發(fā)生永久性的垂向變形，這是南極冰雪跑道設計與施工方面的重大技術挑戰(zhàn)。受南極極端氣候環(huán)境制約，建設冰雪跑道可能面臨諸多限制，如輸入材料類別、數(shù)量一般相對固定，能源密集型施工方法后勤困難、成本過高 [3]，機械壓實和熱處理冰雪層的有關壓實技術、消耗能源、施工周期等極為困難。
四、南極機場冰雪跑道設計與建設
南極機場冰雪跑道的工程建設，其材料設計原理為：在經(jīng)典的剛性 / 柔性路面設計原則基礎上，以冰雪為土工材料建設跑道 [2]。通過冰雪材料來構建可起降重型輪式運輸機的跑道結構強度，是冰雪機場建設的關鍵。冰和雪的力學性質(zhì)研究、雪面改造是建設冰雪跑道的理論與技術基礎(見表 2)。
表 2不同跑道類型的設計要素與工程技術
(一)冰面跑道設計與維護
在南極適宜修建機場的地區(qū)中，年平均氣溫為–20~ –10 ℃;純冰的抗壓強度為 5~25 MPa [12]，而抗拉強度的平均值僅為 1. 43 MPa [11]。依據(jù)國外建設經(jīng)驗，冰體溫度變化、冰密度對于冰的抗壓強度、斷裂韌性的影響是顯著的。南極地區(qū)以冰面作為機場跑道建設基礎的特性可進一步總結為：在抗壓性、抗拉性的變化方面與混凝土具有類似特征，在應變率等形變因素方面與瀝青更為相近。從工程建設的角度而言，選擇冰面作為跑道建設基礎，綜合思路應更側重于選址而非改造。這是因為，無論是南極的冰體溫度，還是已經(jīng)形成的冰的密度、鹽度、粒度等，都難以實施大規(guī)模的人工改造。
南極地區(qū)的季節(jié)海冰、藍冰機場建設經(jīng)驗表明 [13]，在冰層厚度足夠的條件下，應優(yōu)先考慮冰面強度，以整體厚度來評估跑道強度;當冰面溫度高于–5 ℃時，需要詳細監(jiān)測冰面情況以確認冰面強度。對于在淺水區(qū)建造的小規(guī)模季節(jié)海冰跑道而言，設計過程需考慮由于飛機移動荷載引起的水–冰之間的壓力增強。除了季節(jié)海冰跑道外，冰跑道也經(jīng)常建在移動的冰川上(如澳大利亞凱西站附近的威爾金斯冰川冰跑道)，可能受到冰流動的影響(冰流速約為 12 m/a)[14]。對于地理因素、外界環(huán)境因素可能造成的冰面損壞，只能在跑道選址階段盡量規(guī)避，同時配套建設實時監(jiān)測系統(tǒng)，定期修正冰面形狀。
(二)雪面跑道設計
雪面跑道的設計原則與柔性路面跑道設計方法相似，不同之處在于：需根據(jù)力學模型來估算運輸機起落裝置應力造成的雪面深度變化，考慮引入現(xiàn)代分層彈性路面設計方法來進行雪道設計，使用人工方法、以燒結與壓實的聯(lián)合作用來開展雪層強度的深度改造。
國外的冰雪機場跑道設計經(jīng)驗表明，冰跑道應根據(jù)不同的冰面類型開展區(qū)別化設計，雪面跑道建設方案則側重于大規(guī)模的人工物性改造。與傳統(tǒng)的柔性路面類似，以雪層為表面的跑道設計，仍應側重于應力、荷載的分布，雪層的強度可以滿足柔性路面的模型設計和力學要求 [7]。在沒有人工改造的情況下，較深的雪由于自然壓實和燒結作用，通常比接近表面的雪具有更高的抗剪強度，從而降低了雪道建設的效率。這也說明，雪面跑道工程依賴于人工對淺層–表面雪層的大規(guī)模物性改造。提升雪層力學強度，主要以降低孔隙度、升高單位密度的形式來實現(xiàn)。除了自然降雪伴生的壓實過程外，可通過機械壓實、雪的燒結、重結晶密實化等變質(zhì)過程來降低雪的孔隙度。
具體而言，快速的機械壓實過程體現(xiàn)了應力對于雪層孔隙度的直接改造，雪的燒結則是和重結晶作用共同對雪層晶體進行質(zhì)變改造。在南極內(nèi)陸的典型溫度條件下(–50~ –25 ℃)，雪層的自然燒結過程需要數(shù)月甚至數(shù)年的時間[13];人工技術主導的燒結過程較為迅速：接近熔點的情況下，較高蒸氣壓區(qū)域(顆粒的凸面部分)的冰融化、較低蒸氣壓位置(顆粒接觸的地方)的再冷凝造成顆粒之間形成快速粘結 [2]。因此，制造高強度雪層的高效辦法為，選用顆粒較大的自然雪 / 人造雪，使其在冰點附近燒結后降低溫度，由此提高強度 [13]。
(三)壓實雪層技術
中山站附近缺少優(yōu)質(zhì)藍冰區(qū)，壓實雪層跑道是我國在南極建設大型機場的優(yōu)選。從美國、俄羅斯此類跑道的應用效果可以反推相應基本原理：通過人工降低雪層密度來大幅度提高雪層強度，通過多階段、多期次施工，建造多層 / 復合高密度雪層。其中，人工方式大幅度提高雪層強度是建設 / 改造雪層跑道的核心技術(見圖 3)。
目前幾乎所有的南極機場雪面跑道的處理技術以“分解–燒結–壓實”自然雪為主，相應技術路線如圖 3 所示。根據(jù)南極雪面跑道的建設經(jīng)驗，雪面改造分為兩個過程：①雪的人工機械分解，將自然雪密度增加到 250~500 kg/m3 [11]，改善雪粒徑的分布，可使燒結作用迅速發(fā)生;②雪的人工燒結并配合機械壓實，可實現(xiàn)較高效率的雪密度提升，雪密度達到 700 kg/m3 時的雪強度最佳。因此，冰雪跑道表面雪層處理過程可歸納為：在–2 ℃的溫度附近進行雪的分解和壓實，然后在–10 ℃以下溫度條件下燒結。
圖 3壓實雪層跑道人工改造雪層的技術原理
由于無法精確控制雪溫，同時為了減少對有利天氣條件的依賴，在分解和壓實過程中，一些國家曾試圖采用臨時人工暖雪方式、開發(fā)加熱雪的處理技術，但實用效果受限：處理深度不超過 45 cm，需要大量的燃料補給 [11]。實際施工發(fā)現(xiàn)，以積雪厚度每 25 cm 澆水 3 cm 的方式來實現(xiàn)局部增暖，比直接加熱雪層更具效率 [2,11]。此外，國外還曾開展通過使用添加材料來增強雪密度的方案，如用鋸末加固并改善雪層的物理性能。實驗結果顯示，在每 15 cm 厚的雪層中混入 3 cm 厚的鋸末層，經(jīng)過“分解–燒結–壓實”處理后，密度提高至 800~900 kg/m3 ，更為堅固耐用 [2,12]。
(四)跑道施工裝備
在冰面跑道的施工過程中，較多使用制冰機平整自然冰面 [9];大范圍的跑道處理由配置激光引導的推土機完成 [15]。冰面跑道的維護工作包括：根據(jù)冰面高度的變化進行修正，使用制冰機進行定期處理以提供摩擦表面紋理，在運輸機著陸期間連續(xù)清除沉積的橡膠 [9]。目前常用的雪分解裝備是彼得犁，能夠處理厚度達 130 cm 的積雪層 [2,13]。國外針對雪處理需求，專門研制了雪分解設備(由機械粉碎機改造而成)，能夠處理 45 cm 深度的雪層 [2,3]。施工過程聯(lián)合采用激光引導的細平地機、冰雪切割機。在壓實雪層處理方面，改裝的履帶式攤鋪機是良好選擇。
五、發(fā)展建議
南極科學考察實質(zhì)上成為綜合國力的一種象征。受破冰船運載能力等客觀條件的影響，未來幾年我國南極內(nèi)陸科學考察規(guī)模將有所削減，內(nèi)陸科學考察、觀測系統(tǒng)建設等項目進度將有所后延，可能削弱我國在南極活動的影響力。在世界極地科考強國穩(wěn)步加大南極布局投入的態(tài)勢下，我國南極科考有可能被其他國家進一步拉開差距，重要原因之一是我國未能在南極擁有大型機場。我國在建設可供重型運輸機起降的冰雪跑道核心工程技術研究方面明顯滯后，不利于維護南極科學研究等合理權益。為適應我國南極科學考察高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求、推動極地科學發(fā)展和基礎設施建設新格局，建議加快部署和實施南極機場冰雪跑道工程技術攻關工作，自主發(fā)展體系化、成規(guī)模的冰雪機場技術框架體系。
(一)機場選址與建設的自然環(huán)境條件研究
南極冰雪選址流程，需要預先對候選地理位置的環(huán)境狀況進行綜合評估，涉及地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、場址障礙物環(huán)境、空域條件對飛行起降的限制、氣象條件等。首先詳細測繪地形地貌，然后測量與評估機場所在區(qū)域的冰川學、氣候學特征，評估的要素有：冰面盡量平整，冰面和冰下的融化程度較輕，雪厚不超過 1 m，雪的積累率較低，場址最好位于雪的積累區(qū)和消融區(qū)之間。我國已經(jīng)完成 36 次南極科學考察，中山站附近的相關資料、環(huán)境特征研究已有一定積累，但缺乏以建設機場為目標的多學科交叉性總結。為此建議，以我國建設能夠起降重型運輸機的大型冰雪機場為前提，梳理并借鑒國際上南極機場建設運行經(jīng)驗，部署針對南極機場建設的基礎理論與跨學科研究，開展選址、建設、維護相關知識儲備與技術體系建設。
(二)壓實雪層技術攻關
根據(jù)我國完成的多次藍冰區(qū)考察結果，在中山站附近建設藍冰機場的可能性較低，壓實雪層跑道事實上成為我國在南極建設大型機場的首選形式。建設壓實雪層跑道的核心技術原理雖已有總結，但我國尚未全面掌握該項技術。為此建議，結合冰雪材料力學性質(zhì)的基礎研究進展，針對人工降低雪層密度提升雪層強度、多階段施工建造多層 / 復合高密度雪層等技術方向開展協(xié)同研究，重點攻克壓實雪層跑道建設的核心技術，發(fā)展雪的人工機械分解、人工燒結處理技術，解決冰雪跑道工程建設的“卡脖子”問題;力爭使我國成為繼美國、俄羅斯之后，世界第三個自主掌握壓實雪層跑道建設技術體系的極地科考強國。
(三)冰雪跑道施工裝備技術攻關
國際競爭與合作格局趨于復雜，著眼長遠發(fā)展，我國較多依靠進口裝備開展極地科學考察的局面理應發(fā)生改變。與壓實雪層技術面臨“卡脖子”問題類似，也與我國工程裝備研制大國地位不相襯的是，有關壓實雪層跑道建設的專用 / 特種施工裝備依然處于產(chǎn)品空缺狀態(tài)，如大型分雪機、暖雪機、附帶灑水及測溫功能的雪地攤鋪機等。為此建議，國家合理加大資源保障力度，針對極地考察特種裝備需求，由科學研究單位聯(lián)合工程機械研制企業(yè)，對冰面 / 雪面工程施工技術裝備進行重點研發(fā);以“產(chǎn)學研”協(xié)同方式實施產(chǎn)品創(chuàng)新，開展專門針對南極極端環(huán)境下的大型冰雪壓實、路面施工等核心裝備的方案論證、設計研發(fā)、樣機制造，加速推動冰雪機場工程建設裝備的自主知識產(chǎn)權化、全面國產(chǎn)化。
(四)機場運行指揮監(jiān)測體系設計
考慮南極復雜而嚴酷的自然地理環(huán)境，在論證大型機場建設方案的同時，應及時測量和評估機場所在區(qū)域的冰川學、氣候學特征(參數(shù))，如積雪覆蓋厚度、冰流速、冰川表面融化率、冰面粗糙度、表面坡度、降水量(含冰雪積累)、風速以及風向、能見度、云層高度、大氣輻射、冰裂隙分布等。持續(xù)積累這類參數(shù)，形成中 / 重型運輸機起降、冰雪機場穩(wěn)定運營的基礎性和技術性保障條件。為此建議，依托我國南極科考站建設，開展功能完備的冰雪機場運行監(jiān)測體系設計研究，建立極地機場運行場景綜合性能的理論分析、虛擬仿真、冰雪測試能力;針對冰 / 雪道面監(jiān)測指標、冰 / 雪道面工程修繕、道面應對環(huán)境(溫度)變化的應急處理等開展技術方案論證，準確評估機場區(qū)域的冰川–氣象條件對機場安全運行監(jiān)測體系的影響。
本文來源：中國工程院院刊
南極具有獨特的地緣價值、氣候環(huán)境、潛在資源，對人類可持續(xù)發(fā)展、構建人類命運共同體具有重大意義，也是世界強國競爭與合作的焦點。氣候變暖導致的冰蓋快速融化，正在加速釋放南極地區(qū)的科研、經(jīng)濟、安全等戰(zhàn)略價值，世界強國在南極的影響力競爭進入了由氣候變化驅動的地緣政治時代 [1]。在《南極條約》的規(guī)范下，世界強國主要采取在南極開展科學考察的方式來發(fā)揮影響力。實施南極科學考察，依賴于物資運輸、人員投送、裝備支持 [2]，其中物資與人員投送能力是科學考察規(guī)模的決定性因素。
鑒于南極特殊的地理位置 [3]，南極大陸和其他大陸之間的交通運輸只能通過海運、航空運輸實現(xiàn)。然而，海運需要借助破冰船且時間段有限(當年 11 月至次年 3 月)，運輸周期的局限性明顯;南極大陸沿海沒有港口基礎設施、海岸導航設施，物資裝卸效率低下，進一步制約科學考察任務的實施效率。相比之下，航空運輸具有往返周期短、直抵目的地、投送效率高、覆蓋范圍廣等顯著優(yōu)勢[2]。極地科學考察強國，包括美國、俄羅斯、澳大利亞等國在內(nèi)均大力發(fā)展南極航空運輸，在物資與人員投送能力方面相比我國具有明顯優(yōu)勢 [3]。因此，在南極建設大型機場、發(fā)展南極航空運輸網(wǎng)，將是我國由極地大國邁向極地強國的必經(jīng)之路。
本文從工程技術發(fā)展現(xiàn)狀梳理與未來展望的角度，開展我國南極機場冰雪跑道的綜合性技術研究;凝練技術性挑戰(zhàn)，總結設計方案與關鍵技術，提出重點研究工作建議，以期為我國的南極大型機場建設提供工程技術方面的先導性借鑒。
二、南極機場現(xiàn)狀分析
(一)南極冰雪機場分類
南極機場主要依據(jù)建造位置、跑道類型、起降飛機類型進行劃分。根據(jù)機場建設位置、跑道類型大致分為冰雪機場、礫石機場 [2,4,5](見表 1)。其中，冰雪機場跑道根據(jù)工程環(huán)境、道面材料進一步細分為海冰跑道、藍冰跑道、雪橇跑道、壓實雪層跑道。
表 1南極現(xiàn)存機場的跑道類型及數(shù)量
注：冰雪機場劃分依據(jù)跑道建造位置。
1. 海冰跑道
在海冰上建設跑道，分為季節(jié)跑道、臨時跑道 [3,6]。目前，南極的海冰跑道通常建在接岸固定冰上，一般要求海冰的厚度大于 2 m、海冰不破裂、表面融化程度不高、沒有較厚的積雪 [7,8]。海冰跑道的表層平整與壓實處理的難度相對較小，可滿足雪橇式、輪式飛機的起降要求，但建設運營成本較高。
2. 藍冰跑道
藍冰是密實化充分的冰川冰，在特殊的地形、氣象條件下暴露于南極冰蓋表面。在南極地區(qū)可建設冰雪機場跑道的區(qū)域中，藍冰區(qū)為優(yōu)選：藍冰密度與硬度較高，作為跑道的基礎層，具有天然的結構強度優(yōu)勢;表層無積雪，僅需對冰面進行平整與刻槽處理，成本較低。然而，南極的藍冰區(qū)域極少，占冰蓋表面積不超過 1% [6];已經(jīng)建設使用的藍冰機場跑道僅有 6 條，均可進行中 / 重型輪式運輸機的起降。
3. 雪橇跑道
雪橇跑道屬于簡易雪面跑道，通常修建在冰架和冰蓋上，施工技術僅限于簡單的平整與壓實處理，建造相對容易、成本不高;但由于表面雪層硬度不足，只能起降小型雪橇式飛機，無法進行中 / 重型輪式運輸機起降。目前，南極建造的冰雪跑道大多為此類，通常作為季節(jié)性跑道使用(南極夏季)，如我國在昆侖站、泰山站附近建設的臨時跑道，俄羅斯在東方站、美國在南極點建設的跑道。
4. 壓實雪層跑道
受南極實地條件限制，當無法在科考站周圍找到合適的藍冰區(qū)時，為了實現(xiàn)中 / 重型輪式運輸機起降，美國、俄羅斯分別研發(fā)了人工雪面改造技術，在冰架或冰蓋上(非藍冰區(qū))通過大面積施工，建設人工改造雪層跑道。此類跑道的技術難度較高，主要擁有方(美國、俄羅斯)的施工方法各具特色;盡管建設成本較高，但維護成本相對較低，在南極具有更強的地理因素適配性，對選址條件要求較低，應是我國在南極建設大型機場的首選。
(二)國外冰雪機場建設現(xiàn)狀
南極具有代表性的機場是麥克默多機場，由美國在世界上規(guī)模最大的南極考察站(麥克默多站)附近修建。麥克默多機場主要為美國的南極科學考察工作提供支持，如根據(jù)需要在麥克默多站、位于南極點的阿蒙森斯科特站之間往返飛行運輸(見圖 1);可起降 C-5、C-141、C-130 等中大型軍用運輸機，具有西南極航空樞紐地位 [9]。俄羅斯新扎列夫考察站藍冰機場、挪威 Troll 考察站藍冰機場，是從南非開普敦方向進出南極的樞紐站，跑道能夠起降伊爾–76 重型運輸機，支持洲際航程的物資與人員投送。澳大利亞威爾金斯考察站機場的藍冰跑道，以商業(yè)運輸模式實現(xiàn)了澳大利亞本土(霍巴特)連接東南極澳大利亞凱西站的物資與人員投送能力 [9]。英國在藍天野外考察站建有藍冰跑道，在哈雷研究站建設雪面跑道以供 BT-67 運輸機(安裝滑雪板)起降。
圖 1南極科考站分布
(三)我國南極冰雪機場建設與運用經(jīng)驗
2008 年，我國購置并運用了第一架適應極區(qū)飛行條件的固定翼飛機(原型機為美國巴斯勒 BT-67 運輸機，國內(nèi)命名為雪鷹 601)(見圖 2)，完成飛機基礎性能測試、科研儀器觀測集成、地面保障體系檢測等工作;作為配置橇板的短程飛機，無法完成較大載重條件下的洲際飛行[10]。目前，中國僅利用雪鷹 601 飛機完成昆侖站、泰山站、中山站附近的冰蓋表面雪上建設跑道飛行試驗，在跑道建設過程中對自然雪層進行了平整處理;依然不具備在南極建設和運營壓實雪面跑道、開展重型運輸機 / 中程客機飛行起降的相關經(jīng)驗。
圖 2中國雪鷹 601 固定翼飛機及其東南極冰蓋的后勤與科研飛行路線(2015—2020 年)
相比其他極地航空大國，我國極地航空仍處在起步階段，僅有 1 架固定翼飛機執(zhí)行南極冰蓋內(nèi)陸飛行運輸任務，洲際航空運輸仍依托于澳大利亞等國的商業(yè)運輸能力;機場地面保障設施不完善，沒有大型洲際機場，也不掌握海冰、藍冰、壓實雪層等類型跑道的建造和運維技術。這一基本狀況，難以滿足我國向極地科學考察強國邁進的宏觀需求。
三、我國冰雪機場建設面臨的挑戰(zhàn)
南極極端而復雜多變的氣候環(huán)境、生態(tài)與戰(zhàn)略利益的敏感性，敦促我們重視南極冰雪跑道的發(fā)展研究，厘清冰雪跑道建設面臨的工程難題與技術瓶頸。
(一)機場跑道選址
建設海冰、藍冰或壓實雪層跑道，對選址環(huán)境有著苛刻而具體的要求，如掌握冰雪的變質(zhì)過程，分析溫度梯度、融化–凍結轉換等細節(jié)。藍冰區(qū)通常會存在大量的冰裂隙，開展準確的探測與定位，需要運用先進的探冰雷達、衛(wèi)星遙感等手段。重點進行候選地區(qū)的系列冰表面地形、冰體物理化學性質(zhì)與內(nèi)部結構及動 / 熱力學、表面大氣狀態(tài)的系統(tǒng)調(diào)查，通過航空攝影、衛(wèi)星遙感等方式測量冰表面形態(tài)，使用雷達等地球物理方式探測海冰或冰蓋內(nèi)部結構、裂隙、融化、表面滲透，選擇性實施現(xiàn)場鉆取冰樣等前期工作。這些工作涉及多學科交叉、多類技術綜合運用，理論研究與實踐運用具有一定的難度。
(二)機場跑道建設技術
建設能起降中 / 重型輪式運輸機的冰雪跑道，離不開強大的后勤供應保障，因此一般選擇在較為成熟的科考站附近開展機場建設?？瓶颊镜淖匀坏乩項l件可能與冰雪跑道建設需求不匹配，如在中山站周圍 60 km 內(nèi)不具備藍冰跑道建設的自然條件。這是因為，區(qū)域內(nèi)藍冰區(qū)的表面硬度不足，加之裂縫過多，難以承載重型運輸機起降;區(qū)域內(nèi)的海冰在夏季會發(fā)生破裂，無法建設海冰跑道。我國宜選擇壓實雪層跑道技術路線，規(guī)劃和建設壓實雪層跑道 [11]。
目前世界上只有美國、俄羅斯完全掌握該項技術，且各自的技術特征、施工方法均有所不同;已有的多數(shù)南極機場跑道的經(jīng)驗知識、建造技術、設計方法依賴于美國陸軍工程兵寒區(qū)研究與工程實驗室在 20 世紀五六十年代通過大量實驗積累的研究基礎。值得指出的是，我國在設計和建造大型藍冰機場或大型壓實雪層跑道方面，無論是設計參數(shù)、技術手段，還是特殊施工裝備都基本屬于空白。在相關國家技術封閉的客觀條件下，我國應采取獨立自主開展技術攻關和工程驗證的發(fā)展之路。
(三)機場跑道施工與維護
與鋼筋混凝土不同，冰雪是一種壓縮強度高、抗拉強度很低的固體材料;以冰雪作為地基的路面，在運輸機起落裝置的壓力作用下可能發(fā)生永久性的垂向變形，這是南極冰雪跑道設計與施工方面的重大技術挑戰(zhàn)。受南極極端氣候環(huán)境制約，建設冰雪跑道可能面臨諸多限制，如輸入材料類別、數(shù)量一般相對固定，能源密集型施工方法后勤困難、成本過高 [3]，機械壓實和熱處理冰雪層的有關壓實技術、消耗能源、施工周期等極為困難。
四、南極機場冰雪跑道設計與建設
南極機場冰雪跑道的工程建設，其材料設計原理為：在經(jīng)典的剛性 / 柔性路面設計原則基礎上，以冰雪為土工材料建設跑道 [2]。通過冰雪材料來構建可起降重型輪式運輸機的跑道結構強度，是冰雪機場建設的關鍵。冰和雪的力學性質(zhì)研究、雪面改造是建設冰雪跑道的理論與技術基礎(見表 2)。
表 2不同跑道類型的設計要素與工程技術
(一)冰面跑道設計與維護
在南極適宜修建機場的地區(qū)中，年平均氣溫為–20~ –10 ℃;純冰的抗壓強度為 5~25 MPa [12]，而抗拉強度的平均值僅為 1. 43 MPa [11]。依據(jù)國外建設經(jīng)驗，冰體溫度變化、冰密度對于冰的抗壓強度、斷裂韌性的影響是顯著的。南極地區(qū)以冰面作為機場跑道建設基礎的特性可進一步總結為：在抗壓性、抗拉性的變化方面與混凝土具有類似特征，在應變率等形變因素方面與瀝青更為相近。從工程建設的角度而言，選擇冰面作為跑道建設基礎，綜合思路應更側重于選址而非改造。這是因為，無論是南極的冰體溫度，還是已經(jīng)形成的冰的密度、鹽度、粒度等，都難以實施大規(guī)模的人工改造。
南極地區(qū)的季節(jié)海冰、藍冰機場建設經(jīng)驗表明 [13]，在冰層厚度足夠的條件下，應優(yōu)先考慮冰面強度，以整體厚度來評估跑道強度;當冰面溫度高于–5 ℃時，需要詳細監(jiān)測冰面情況以確認冰面強度。對于在淺水區(qū)建造的小規(guī)模季節(jié)海冰跑道而言，設計過程需考慮由于飛機移動荷載引起的水–冰之間的壓力增強。除了季節(jié)海冰跑道外，冰跑道也經(jīng)常建在移動的冰川上(如澳大利亞凱西站附近的威爾金斯冰川冰跑道)，可能受到冰流動的影響(冰流速約為 12 m/a)[14]。對于地理因素、外界環(huán)境因素可能造成的冰面損壞，只能在跑道選址階段盡量規(guī)避，同時配套建設實時監(jiān)測系統(tǒng)，定期修正冰面形狀。
(二)雪面跑道設計
雪面跑道的設計原則與柔性路面跑道設計方法相似，不同之處在于：需根據(jù)力學模型來估算運輸機起落裝置應力造成的雪面深度變化，考慮引入現(xiàn)代分層彈性路面設計方法來進行雪道設計，使用人工方法、以燒結與壓實的聯(lián)合作用來開展雪層強度的深度改造。
國外的冰雪機場跑道設計經(jīng)驗表明，冰跑道應根據(jù)不同的冰面類型開展區(qū)別化設計，雪面跑道建設方案則側重于大規(guī)模的人工物性改造。與傳統(tǒng)的柔性路面類似，以雪層為表面的跑道設計，仍應側重于應力、荷載的分布，雪層的強度可以滿足柔性路面的模型設計和力學要求 [7]。在沒有人工改造的情況下，較深的雪由于自然壓實和燒結作用，通常比接近表面的雪具有更高的抗剪強度，從而降低了雪道建設的效率。這也說明，雪面跑道工程依賴于人工對淺層–表面雪層的大規(guī)模物性改造。提升雪層力學強度，主要以降低孔隙度、升高單位密度的形式來實現(xiàn)。除了自然降雪伴生的壓實過程外，可通過機械壓實、雪的燒結、重結晶密實化等變質(zhì)過程來降低雪的孔隙度。
具體而言，快速的機械壓實過程體現(xiàn)了應力對于雪層孔隙度的直接改造，雪的燒結則是和重結晶作用共同對雪層晶體進行質(zhì)變改造。在南極內(nèi)陸的典型溫度條件下(–50~ –25 ℃)，雪層的自然燒結過程需要數(shù)月甚至數(shù)年的時間[13];人工技術主導的燒結過程較為迅速：接近熔點的情況下，較高蒸氣壓區(qū)域(顆粒的凸面部分)的冰融化、較低蒸氣壓位置(顆粒接觸的地方)的再冷凝造成顆粒之間形成快速粘結 [2]。因此，制造高強度雪層的高效辦法為，選用顆粒較大的自然雪 / 人造雪，使其在冰點附近燒結后降低溫度，由此提高強度 [13]。
(三)壓實雪層技術
中山站附近缺少優(yōu)質(zhì)藍冰區(qū)，壓實雪層跑道是我國在南極建設大型機場的優(yōu)選。從美國、俄羅斯此類跑道的應用效果可以反推相應基本原理：通過人工降低雪層密度來大幅度提高雪層強度，通過多階段、多期次施工，建造多層 / 復合高密度雪層。其中，人工方式大幅度提高雪層強度是建設 / 改造雪層跑道的核心技術(見圖 3)。
目前幾乎所有的南極機場雪面跑道的處理技術以“分解–燒結–壓實”自然雪為主，相應技術路線如圖 3 所示。根據(jù)南極雪面跑道的建設經(jīng)驗，雪面改造分為兩個過程：①雪的人工機械分解，將自然雪密度增加到 250~500 kg/m3 [11]，改善雪粒徑的分布，可使燒結作用迅速發(fā)生;②雪的人工燒結并配合機械壓實，可實現(xiàn)較高效率的雪密度提升，雪密度達到 700 kg/m3 時的雪強度最佳。因此，冰雪跑道表面雪層處理過程可歸納為：在–2 ℃的溫度附近進行雪的分解和壓實，然后在–10 ℃以下溫度條件下燒結。
圖 3壓實雪層跑道人工改造雪層的技術原理
由于無法精確控制雪溫，同時為了減少對有利天氣條件的依賴，在分解和壓實過程中，一些國家曾試圖采用臨時人工暖雪方式、開發(fā)加熱雪的處理技術，但實用效果受限：處理深度不超過 45 cm，需要大量的燃料補給 [11]。實際施工發(fā)現(xiàn)，以積雪厚度每 25 cm 澆水 3 cm 的方式來實現(xiàn)局部增暖，比直接加熱雪層更具效率 [2,11]。此外，國外還曾開展通過使用添加材料來增強雪密度的方案，如用鋸末加固并改善雪層的物理性能。實驗結果顯示，在每 15 cm 厚的雪層中混入 3 cm 厚的鋸末層，經(jīng)過“分解–燒結–壓實”處理后，密度提高至 800~900 kg/m3 ，更為堅固耐用 [2,12]。
(四)跑道施工裝備
在冰面跑道的施工過程中，較多使用制冰機平整自然冰面 [9];大范圍的跑道處理由配置激光引導的推土機完成 [15]。冰面跑道的維護工作包括：根據(jù)冰面高度的變化進行修正，使用制冰機進行定期處理以提供摩擦表面紋理，在運輸機著陸期間連續(xù)清除沉積的橡膠 [9]。目前常用的雪分解裝備是彼得犁，能夠處理厚度達 130 cm 的積雪層 [2,13]。國外針對雪處理需求，專門研制了雪分解設備(由機械粉碎機改造而成)，能夠處理 45 cm 深度的雪層 [2,3]。施工過程聯(lián)合采用激光引導的細平地機、冰雪切割機。在壓實雪層處理方面，改裝的履帶式攤鋪機是良好選擇。
五、發(fā)展建議
南極科學考察實質(zhì)上成為綜合國力的一種象征。受破冰船運載能力等客觀條件的影響，未來幾年我國南極內(nèi)陸科學考察規(guī)模將有所削減，內(nèi)陸科學考察、觀測系統(tǒng)建設等項目進度將有所后延，可能削弱我國在南極活動的影響力。在世界極地科考強國穩(wěn)步加大南極布局投入的態(tài)勢下，我國南極科考有可能被其他國家進一步拉開差距，重要原因之一是我國未能在南極擁有大型機場。我國在建設可供重型運輸機起降的冰雪跑道核心工程技術研究方面明顯滯后，不利于維護南極科學研究等合理權益。為適應我國南極科學考察高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求、推動極地科學發(fā)展和基礎設施建設新格局，建議加快部署和實施南極機場冰雪跑道工程技術攻關工作，自主發(fā)展體系化、成規(guī)模的冰雪機場技術框架體系。
(一)機場選址與建設的自然環(huán)境條件研究
南極冰雪選址流程，需要預先對候選地理位置的環(huán)境狀況進行綜合評估，涉及地形地貌、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、場址障礙物環(huán)境、空域條件對飛行起降的限制、氣象條件等。首先詳細測繪地形地貌，然后測量與評估機場所在區(qū)域的冰川學、氣候學特征，評估的要素有：冰面盡量平整，冰面和冰下的融化程度較輕，雪厚不超過 1 m，雪的積累率較低，場址最好位于雪的積累區(qū)和消融區(qū)之間。我國已經(jīng)完成 36 次南極科學考察，中山站附近的相關資料、環(huán)境特征研究已有一定積累，但缺乏以建設機場為目標的多學科交叉性總結。為此建議，以我國建設能夠起降重型運輸機的大型冰雪機場為前提，梳理并借鑒國際上南極機場建設運行經(jīng)驗，部署針對南極機場建設的基礎理論與跨學科研究，開展選址、建設、維護相關知識儲備與技術體系建設。
(二)壓實雪層技術攻關
根據(jù)我國完成的多次藍冰區(qū)考察結果，在中山站附近建設藍冰機場的可能性較低，壓實雪層跑道事實上成為我國在南極建設大型機場的首選形式。建設壓實雪層跑道的核心技術原理雖已有總結，但我國尚未全面掌握該項技術。為此建議，結合冰雪材料力學性質(zhì)的基礎研究進展，針對人工降低雪層密度提升雪層強度、多階段施工建造多層 / 復合高密度雪層等技術方向開展協(xié)同研究，重點攻克壓實雪層跑道建設的核心技術，發(fā)展雪的人工機械分解、人工燒結處理技術，解決冰雪跑道工程建設的“卡脖子”問題;力爭使我國成為繼美國、俄羅斯之后，世界第三個自主掌握壓實雪層跑道建設技術體系的極地科考強國。
(三)冰雪跑道施工裝備技術攻關
國際競爭與合作格局趨于復雜，著眼長遠發(fā)展，我國較多依靠進口裝備開展極地科學考察的局面理應發(fā)生改變。與壓實雪層技術面臨“卡脖子”問題類似，也與我國工程裝備研制大國地位不相襯的是，有關壓實雪層跑道建設的專用 / 特種施工裝備依然處于產(chǎn)品空缺狀態(tài)，如大型分雪機、暖雪機、附帶灑水及測溫功能的雪地攤鋪機等。為此建議，國家合理加大資源保障力度，針對極地考察特種裝備需求，由科學研究單位聯(lián)合工程機械研制企業(yè)，對冰面 / 雪面工程施工技術裝備進行重點研發(fā);以“產(chǎn)學研”協(xié)同方式實施產(chǎn)品創(chuàng)新，開展專門針對南極極端環(huán)境下的大型冰雪壓實、路面施工等核心裝備的方案論證、設計研發(fā)、樣機制造，加速推動冰雪機場工程建設裝備的自主知識產(chǎn)權化、全面國產(chǎn)化。
(四)機場運行指揮監(jiān)測體系設計
考慮南極復雜而嚴酷的自然地理環(huán)境，在論證大型機場建設方案的同時，應及時測量和評估機場所在區(qū)域的冰川學、氣候學特征(參數(shù))，如積雪覆蓋厚度、冰流速、冰川表面融化率、冰面粗糙度、表面坡度、降水量(含冰雪積累)、風速以及風向、能見度、云層高度、大氣輻射、冰裂隙分布等。持續(xù)積累這類參數(shù)，形成中 / 重型運輸機起降、冰雪機場穩(wěn)定運營的基礎性和技術性保障條件。為此建議，依托我國南極科考站建設，開展功能完備的冰雪機場運行監(jiān)測體系設計研究，建立極地機場運行場景綜合性能的理論分析、虛擬仿真、冰雪測試能力;針對冰 / 雪道面監(jiān)測指標、冰 / 雪道面工程修繕、道面應對環(huán)境(溫度)變化的應急處理等開展技術方案論證，準確評估機場區(qū)域的冰川–氣象條件對機場安全運行監(jiān)測體系的影響。
本文來源：中國工程院院刊
