Взлетно-посадочная полоса на мерзлых грунтах
RUNWAY ON FROZEN SOILS

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано для быстрого возведения взлетно-посадочных полос аэродромов на мерзлых грунтах как в летнее, так и в зимнее время года.
Известен способ возведения взлетно-посадочной полосы (ВИИ), состоящий из устройства покрытия на грунтовом основании, где в качестве грунтового основания используют внешние отвалы открытых разработок полезных ископаемых, металлургические шлакоотвалы, которые предварительно выравнивают, после чего возводят покрытие (RU, №2148119, МПК Е01С 3/00, 2000 г.).
Недостатками известной взлетно-посадочной полосы являются значительные сроки строительства сооружения и высокие трудо и материалозатраты.
Известно сборное покрытие для строительства аэродромов, включающее, уложенные на основание параллельными рядами прямоугольные железобетонные плиты, соединенные между собой скобами (SU, №1622483, МПК Е01С 5/00, 1991 г.).
К недостаткам сборного покрытия можно отнести недостаточную жесткость объединения покрытия, недостаточную точность центровки в вертикальной плоскости и, как следствие, недостаточную несущую способность покрытия и долговечность.
Наиболее близким техническим решением является взлетно-посадочная полоса аэродрома, содержащая естественное грунтовое основание, основание из цементобетона, железобетонное покрытие с верхней и нижней арматурой, нижняя арматура железобетонного покрытия полосы расширения соединена с продольными арматурными стержнями свай, установленных вертикально по площади полосы расширения (RU, №2477767, МПК Е01С 9/00, 2013 г.).
Недостатком известной взлетно-посадочной полосы является сложная и трудоемкая конструкция искусственного основания, что приводит к снижению надежности работы взлетно-посадочных полос при воздействии сил морозного пучения и значительных ветровых нагрузок, снижая тем самым, в целом, эффективность работы взлетно-посадочной полосы аэродрома.
При создании настоящего изобретения была поставлена задача по разработке более эффективной конструкции взлетно-посадочной полосы аэродрома, устраиваемой на мерзлых грунтах.
Техническим результатом изобретения является, создание быстровозводимой конструкции ВПП, обладающей достаточной прочностью, долговечностью, ремонтопригодностью в суровых природно-климатических условиях эксплуатации, позволяющей уменьшить объем и трудоемкость земляных работ, а также значительно снизить эксплуатационные расходы.
Поставленная задача и указанный технический результат достигается тем, что взлетно-посадочная полоса аэродрома на мерзлых грунтах, включающая подсыпку с теплоизоляцией на мерзлом грунтовом основании, полотно из сборного покрытия, состоящего из плит. Сборное покрытие выполнено в виде пакета сборно-разборных звеньев, состоящих из отдельных секций, установленное на винтовых сваях с образованием вентилируемого зазора между грунтовым основанием и полотном ВПП с регулируемыми по высоте свайными оголовками и оснащенные системой терморегулирования, причем на грунтовом основании уложен слой теплоизоляции, закрытый непроницаемым полотнищем, а на внутренней стороне полотна ВПП закреплены греющие элементы. В конце полосы смонтирован трамплин с регулируемым углом подъема, включающий узел сочленения трамплина с полотном ВПП, состоящий из системы валиков, заключенных в резиновые оболочки, и установленных на подъемных устройствах, а в начале полосы установлен пандус. По краям полотна ВПП закреплены поворотные аэродинамические экраны. Полотно ВПП оборудовано роликами и установлено на системе круговых рельсовых путей, закрепленных на винтовых сваях.
Исполнение полотна ВПП из пакета облегченных звеньев - металлических или композитных (например, стальная плита АСП-4М или алюминиевые плиты типа ААП-3 согласно П.№2121451) взамен железобетонных плит позволяет за счет снижения их веса уменьшить нагрузку на сваи и обеспечить боле точное их соединение между собой и, соответственно, уменьшить зазор между ними, что снизит величину динамического удара от колес шасси самолета и тем самым повысит долговечность работы ВПП и самих самолетов. При этом изготовление сборных звеньев из отдельных секций, например, двух консольных секций и центральной секции, позволяет их доставлять по отдельности к месту возведения ВПП вертолетом и на месте собирать в готовые звенья, используя, например, болтовые соединения, что позволяет их снимать при ремонте или выполнять регулирование величины погружения сваи в случае ее неконтролируемого перемещения, например, при деформации пучения, что, в целом, повышает эффективность работы и обслуживания ВПП.
Установка полотна ВПП на винтовых сваях с регулируемыми по высоте оголовками, например, с установленными на них гидроцилиндрами и оснащенные системой терморегулирования, например, термоэлементами Пельтье позволяет, во-первых, отказаться от выполнения большого объема грунтовых работ по подготовке искусственного основания за счет использования быстро устанавливаемых свай - винтовых свай, во-вторых, повысить устойчивость полотна ВПП за счет нейтрализации возможного воздействия сил морозного пучения, в-третьих, возможность постоянно поддерживать полотно в рабочем состоянии за счет работы гидроцилиндров, в-четвертых, повысить устойчивость ВПП за счет поддержания мерзлого состояния вокруг винтовых свай при использовании термоэлементов Пельтье.
Организация между основанием и полотном ВПП вентилируемого зазора, с укладкой на основании слоя теплоизоляции (например, из пенополистирольных плит), и покрытием его непроницаемым полотнищем, позволяет, во-первых, облегчить расчистку полосы от снега, а во-вторых, дополнительно создать условия сохранения основания в мерзлом состоянии, что повышает устойчивость ВПП, а в целом, эффективность работы ВПП.
Закрепление на внутренней стороне полотна ВПП греющих элементов, например, греющих проводов, позволяет предотвратить обледенение поверхности полотна ВПП и тем самым повысить эффективность ее работы.
Организация в конце полосы трамплина с регулируемым углом подъема, включающий узел сочленения трамплина с полотном ВПП, состоящий из системы валиков, заключенных в резиновые оболочки, и установленных на подъемных устройствах, например, гидроцилиндрах (под углом и длиной, соответствующие заданному типу самолетов) позволяет, во-первых, сократить длину ВПП за счет использования трамплина, во-вторых, более эффективно использовать мощность двигателя самолета в зависимости от его типа за счет возможности регулирования угла подъема трамплина, в-третьих, обеспечить плавное сочленение звеньев полотна ВПП для сглаживания динамического воздействия колес шасси на их стыках за счет использования системы валиков и повысить сцепление колес шасси с валиками путем заключенных их в резиновые оболочки, в-четвертых, повысить дополнительно плавность сочленения звеньев за счет возможности их регулирования перемещения по высоте путем использования гидроцилиндров.
Установка в начале взлетно-посадочной полосы пандуса позволяет вспомогательным машинам (для чистки полосы, использование тягача, выполнение ремонтных работ и др.) быстрее попадать на нее и освобождать ее после выполнения работ, что минимально сказывается на нарушении графике полетов.
Закрепление по краям полотна ВПП поворотных аэродинамических экранов позволяет, регулировать аэродинамику ВПП в зависимости от направления и силы ветра путем изменения угла наклона экранов в верхнем положении, улучшая тем самым взлетные условия и условия посадки с учетом характеристик самолета, а, во-вторых, появляется возможность защитить грунтовое основание под полотном ВПП от засыпания его снегом при нижнем их положении, что обеспечит более глубокое промерзание грунтового основания.
Оборудование полотна ВПП роликами с установкой ее на системе круговых рельсовых путей, закрепленных на винтовых сваях, позволяет в случае, например, возникновения аварийной ситуации из-за резкого изменения направления и силы ветра, осуществлять поворот всей ВПП, что повышает эффективность ее работы.
Взлетно-посадочная полоса аэродрома на мерзлых грунтах поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена конструктивная схема взлетно-посадочной полосы аэродрома; на фиг. 2 - вид Б сверху; на фиг. 3 - разрез полосы по А-А; на фиг. 4 - узел I; на фиг. 5 - принципиальная схема поворота полотна ВПП.
На фиг. 1 - фиг. 4 обозначено:
1 - пакет сборно-разборных звеньев полотна ВПП; 2, 3 - консольные секции звеньев полотна ВПП; 4 - центральная секция звеньев полотна ВПП; 5 - винтовые сваи; 6 - свайные оголовки; 7 - свайные кусты; 8 - пандус; 9 - трамплин; 10 - системы валиков; 11 - гидроцилиндры; 12 - поворотные аэродинамические экраны; 13 - грунтовое основание; 14 - теплоизоляционные плиты; 15 - непроницаемое полотнище; 16 - рельсовые пути.
Взлетно-посадочная полоса аэродрома на мерзлых грунтах состоит из полотна, выполненного из пакета, например, металлических или композитных сборно-разборных звеньев 1, состоящих из отдельных секций, например, консольных 2, 3 и центральной секции 4 (фиг. 2, фиг. 3), соединенных, например, болтами и установленных с вентилируемым зазором на винтовых сваях 5 с регулируемыми по высоте свайными оголовками 6 свайных кустов 7 и оснащенные системой терморегулирования, например, термоэлементами Пельтье. В начале полотна ВПП установлен пандус 8, а в конце полотна ВПП устроен трамплин 9, который выполнен с регулируемым углом подъема. Для изменения угла подъема трамплина 9 между ним и полотном установлен узел сочленения, состоящий из системы валиков 10, установленных на подъемных устройствах, например, гидроцилиндрах 11 (фиг. 4). По краям полотна ВПП закреплены поворотные аэродинамические экраны 12 (фиг. 3). На грунтовом основании 13 под полотном ВПП уложены теплоизоляционные, например, пенополистирольные плиты 14, накрытые непроницаемым полотнищем 15 (фиг. 1).
Для повышения эффективности работы ВПП она может быть оснащена роликами и установлена на системе круговых рельсовых путей 16, закрепленных на винтовых сваях 6 (фиг. 5).
Взлетно-посадочная полоса на мерзлых грунтах монтируется и работает следующим образом.
Если работы выполняют зимой, то сначала расчищают площадку от снега, после чего завинчивают сваи 5 в мерзлое основание 13 с формированием кустов 7 из свай 5. Затем устраивают регулируемые по высоте свайные оголовки 6 свай 5 и оснащают системой терморегулирования, например, термоэлементами Пельтье на заданной высоте с образованием вентилируемого зазора между основанием 13 и полотном 1 ВПП. Собранные звенья из секций 2, 3, 4 полотна ВПП с закрепленными на внутренней поверхности греющими проводами устанавливают краном на ростверки 5 и крепят. При этом возможна установка датчиков давления на ростверках с подсоединением компьютера, что позволит контролировать процесс деформирования (осадки) куста свай и вовремя предотвращать аварийные ситуации.
После этого на мерзлое основание укладывают теплоизоляционные плиты 14, например, пенополистирольные и накрывают непроницаемым полотнищем 15.
Для улучшения работы ВПП по ее краям закрепляют поворотные аэродинамические экраны 12.
Функционирование взлетно-посадочной полосы на мерзлых грунтах начинаюют с установки экранов 12 в необходимое положение. В зимний период или в другой период работы ВПП, когда устанавливается отрицательная температура воздуха, экраны 12 опускают для предотвращения засыпания снегом мерзлого основания 13 с целью обеспечения его постоянного промораживания. В случае обледенения ВПП включают греющие провода. В летнее время года экраны поднимают, чтобы осуществлялась естественная вентиляция основания 13. При положительной температуре воздуха включают термоэлементы Пельтье для охлаждения винтовых свай.
После полной готовности ВПП самолет выруливает в начало ВПП и производит по ней разгон с последующим взлетом с трамплина 9 в конце ВПП. При этом, так как полосу собирают из звеньев с возможностью их стыковки с минимальным зазором, то и движение самолета при взлете обеспечивается более плавным без динамических ударов на стыках звеньев, что позволяет повысить срок эксплуатации ВПП и самих самолетов.
Эффективность работы взлетно-посадочной полосы может быть существенно повышена, для чего ВПП оборудуют в ее начале пандусом 8 (фиг. 1). В этом случае вспомогательные машины (для чистки полосы, тягач и др.) могут быстрее попадать на полосу ВПП 1 и освобождать ее, что минимально сказывается на графике полетов. При этом в конце взлетно-посадочной полосы 1 может быть устроен трамплин 9 с регулируемым углом подъема, который дополнительно повышает эффективность работы ВПП (фиг. 1). Для регулирования угла подъема трамплина и плавного сопряжения полотна полосы 1 с трамплином 9 используется система независимых валиков 10, которые соединяют основное полотно 1 с трамплином 9 (фиг. 1, фиг. 4). Задавая команду гидроцилиндрам 11, например, с помощью компьютера осуществляют подъем трамплина 9 на заданный угол его подъема. В этом случае самолет имеет возможность быстрее набирать высоту и более оперативно выполнять задание. При обратной работе гидроцилиндров 11 трамплин 9 переходит в горизонтальное положение и становится логическим продолжением ВПП, удлиняя ее.
Для более надежной работы взлетно-посадочной полосы аэродрома в случае, например, возникновения аварийной ситуации из-за резкого изменения направления и силы ветра, выполняют поворот всей ВПП с учетом направления ветра, для чего задается вращение роликам, которые перемещаются по круговым рельсам 16, тем самым, поворачивая всю полосу 1 на необходимый угол а, что повышает эффективность работы ВПП (фиг. 5).
Эффективность функционирования взлетно-посадочной полосы аэродрома во многом зависит от рационального сопряжения его основных конструктивных элементов, оптимального количества этих элементов с учетом напряженности формируемого потока самолетов.
Поэтому ВПП на винтовых сваях может функционировать более эффективно, чем грунтовые аэродромы, так как вся система обеспечивает возможность более надежного обслуживания потока самолетов в процессе бесперебойной их отправки и приема при неблагоприятных погодных условиях эксплуатации. При этом резко сокращаются потери времени при выполнении отдельных операций как по обслуживанию, так и ремонту надземной ВПП за счет возможности выполнения сборки-разборки всех ее элементов.
Таким образом, создана конструкция взлетно-посадочной полосы аэродрома на мерзлых грунтах, эффективность которой складывается из следующих факторов:
- отказ от выполнения большого объема грунтовых работ, связанных с организацией искусственного основания;
- отказ от приготовления строительных смесей и изготовления аэродромных бетонных плит;
- возможность использования технологии быстро возводимых конструкций ВПП в суровых природно-климатических условиях строительства на основе отказа от чисто строительных технологий и перехода к использованию более эффективной технологии надземной сборки готовых сопрягаемых конструкций;
- возможность качественного и быстрого выполнения ремонтных работ по обслуживанию ВПП.
Особенно эффективно использовать предлагаемое техническое решение при строительстве аэродромов в Арктических зонах, характеризуемых широким распространением структурно неустойчивых высокольдистых фунтов и отсутствием в достаточном количестве кондиционных грунтовых материалов, вынужденно используемых для возведения взлетно-посадочных полос.
Взлетно-посадочная полоса аэродрома на мерзлых грунтах была изготовлена в виде модели в строительной лаборатории кафедры ПСК ТвГТУ и показала возможность ее реализации в реальных условиях строительства.