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次时代机场揭秘:伦敦希斯罗机场背后的科技故事



2016-05-04   作者:乔善勋  来源:航空之家   点击量:    打印本页 关闭


  希斯罗机场之所以如此强大和高效,全仰仗科技的进步。我们通过《《Big, Bigger,Biggest》:London Heathrow Airport》一览这座具有划时代意义的机场,,叙述手法也是按照时间线的方式来展现机场背后的故事。希斯罗机场则是集7项开创性的特征于一身,跃身为世界前列的机场。

图1:鸟瞰希斯罗机场

  伦敦希思罗机场(Heathrow Airport,IATA:LHR),通常简称为希思罗机场,位于英国英格兰大伦敦希灵登区,离伦敦中心有15英里(24千米)远。此机场由BAA负责营运,为英国航空和维珍航空的枢纽机场以及英伦航空的主要机场。

  希斯罗机场拥有两条平行的东西向跑道及五座航站楼,为伦敦最主要的联外机场,也是全英国乃至全世界最繁忙的机场之一,2015年以7499万的总客流量在全球众多机场中排行第六。不堪重负的希斯罗机场又开启了新一轮扩建计划,以麦克·戴维斯(Mike Davies)为首席建筑师的团队开始筹备第五航站楼的计划,造价高达80亿美金的巨大航站楼于2008年3月27日正式启用。5号航站楼由3栋建筑组成,主体高达40米,航站楼内还有各种客户服务设施并和地铁线相连,每年可以满足3千万旅客的需求,这也直接将希斯罗机场的年旅客容量提升至亿人次俱乐部的标准。

图2: 西斯罗机场5号航站楼

  NO 1.航空管制安全如何保障?

图3: 1925年的克罗顿机场

  追根溯源,伦敦市郊的一座小机场带来第一项重大突破,这也是航空业安身立明的法宝,机场上空的安全性——航空管制(Air Traffic Control)。1920年伦敦的主要机场还是克罗顿(Croydon,图3)机场,当时航空业处于起步阶段,飞行员降落全凭感觉,他们利用地标(海岸线、河流、大型城镇和道路)来识别方向。但有的时候人的视觉并不靠谱,1922年4月7日,一名从法国巴黎起飞的飞机将飞机降至云层下方以识别方位,他在扫视地面寻找地标时,没有发现另一架从克罗顿机场飞起的货机迎面而来。这也造成了民航史上首例撞机事件(图4),造成7人丧生。对于没有任何预防措施的飞行活动而言,撞机事故的发生只是时间问题。

图4:1922年克罗顿机场撞机事件

  为了避免机场附近的撞机事件再次发生,克罗顿机场引入了一项新技术,所有朝机场前进的飞机都要发出无线电波,克罗顿机场的无线电接收机会测量出信号的角度,这显示了飞机的具体方位。但光靠飞机方位无法确定其准确位置,克罗顿机场又架设了另外两架电台。此时克罗顿机场只要知道飞机的坐标位置便可引导飞机安全降落在机场,航空管制就此诞生。

图5: 初期的机场航空管制技术

  在1921年时,克罗顿机场每周约有60个航班起降,现如今希斯罗机场每小时都有上百架航班起降。航空管制员引导飞机降落,然后将飞机交予地面管制员,而地面管制员要看到地面上的所有飞机,5号航站楼的建设便会带来一些问题。由于5号航站楼过于庞大,导致地面管制员会看不到远处的飞机。所以他们需要在机场中央建设一座新的塔台,这对于繁忙的希斯罗机场而言这会让机场陷入一片混乱。折中的方法便是在机场边缘建设新塔台,建成之后再迁移到预订位置。塔台的重量接近1千吨,搬家计划还不能影响航班的起降,工程人员决定在某个周五的傍晚进行。希斯罗机场被关闭后,新的塔台(图6)便开始了1.2英里的“乔迁之旅”,依靠3部运送航天飞机传送机,整个工程按计划顺利完成。

图6: 飞机背景中的新塔台

  空管技术可以让更多的飞机安全落地,但是当机场停满飞机后,旅客安全的上下机会变得愈发的困难。伦敦盖特威(Gatwick)希望能为2万名旅客提供服务,它必须拉近飞机和乘客之间的距离,同时又要将他们之间隔离。这就引入了航站楼(Terminal)的概念

  NO 2. 航站楼的故事

  在上世纪20年代,飞机旅行只是少数人能享受到的服务,当时的登机环境不仅简陋,还很危险,这远不能满足“权贵”乘客的需求。工程师莫里斯在1933年时突发奇想,引入了圆形航站楼(图7)的概念。他的设计理念在当时非常先进,圆形的航展楼设计对乘客和飞机都有利。飞机滑至登机门,可以提供旅客上下机和飞机加油等成套的服务。盖特威蜂巢式的航站楼也是世界上首座运营的机场航站楼。

图7: 圆形航站楼

  希斯罗机场则将快速服务里的理念发挥到极致,飞机从落地到再度起飞所停留的时间很少超过90分钟。对于希斯罗机场而言,圆形航站楼的设计已经落伍。较大的圆形航站楼的确可以容纳更多的飞机,但这样的设计会导致大部分的空间闲置(俗称摊大饼),希斯罗机场6号航站楼改用吐司架(图8)的新型结构,并利用地铁相连,极大的提高了航站楼的利用效率。

图8: 吐司架型设计

  希斯罗机场5号航站楼看似简单,但建筑过程却相当复杂,工地面积超过140万平方米,夹杂在全球最繁忙的跑道之间,西边还与高速公司相邻。工程师为了利用航站楼的内部空间,他们在建筑之上加了一座等斜双坡屋顶,屋顶面积等同于5座足球场。如何吊起这座巨大的屋顶是整个工程团队面临的艰巨挑战,仅一块屋顶部件(图9)的重量便超过了6架巨无霸(Jumbo Jet)客机的总和。

图9 : 屋顶部件

  由于高度的限制,工程师只能利用数部小型起重机(图10)在地面组装屋顶部件,然后用多股钢绞绳吊起屋顶截面,这些钢绞绳穿过多股钢绞绳千斤顶,每部液压系统的起重量高达185吨,一共有16部多股钢绞线千斤顶同时运作,这一过程耗费了一年时间,并用去了1万8千吨钢材。当然他们这些花费是值得的,悬浮式的屋顶给航站楼提供了最大的内部空间。

图10 : 钢绞绳起重系统

  航站楼的发明极大的加快了旅客登机和飞机休整的效率,运量瓶颈很快便由地面转移到了空中,螺旋桨式的客机很快便无法满足运力,直至进入喷气机时代。但这同样给机场带来革命性的改进——机场跑道强度的革新。

  No 3. 如何满足A380型客机的停放?

  芝加哥奥黑尔(O’HARE)机场为了建造容纳15万名乘客的机场, 他们必须对跑道进行大规模的更新。喷气客机可以在搭载更多乘客的前提下飞的更快、更远,但他们同样需要高等级的跑道标准。波音707客机的发动机比道格拉斯公司生产的DC-3客机重3倍,燃油装载多19倍,载客量增加8倍,客机重量为13倍,传统跑道无法满足如此重量的降落任务。芝加哥机场为了迎接喷气客机,重新翻修了机场跑道。工程师将钢制框架预埋在混凝土中,但这种人力操作的方法很不划算。后来他们发明了一种铺设混凝土的机械设备——滑动模块铺路机,这种设备可以连续铺设很长的跑道距离,效率和质量都能达到极高标准。

图11 : 滑动模块铺路机

  空客A380的问世又对机场跑道带来了新标准,满载的A380可以达到580吨的重量,这款飞机也将混凝土的要求推向了极致。设计5号航站楼的停机坪时,工程师不能使用普通的混凝土进行铺设。普通的混凝土含有水,无法和混合料中的石头进行黏合,A380在通过时很轻易的便将混凝土碾裂。唯一的解决方法便是铺设将近1米厚的混凝土,即使是最先进的铺路机也不能满足这种标准。5号航站楼四周的路面面积超过1百座足球场的面积总和,所需的混凝土高达6万2千多工程车量,这也远超预算。工程师决定采用一种新型的混凝土来铺设路面,这种混凝土中用一种类似肥皂的液体取代水的作用,用以提高混凝土的黏合性,更重要的是此混凝土可以满足A380的停载功能,而厚度则降低到60厘米。

图12:5号航站楼外的旅客通道

  但喷气客机给机场带来另外一个难题,飞机发动机距离地面太近,任何吸入发动机的异物都可能造成严重的后果。2000年7月25日,世界上唯一商业运行的超音速喷气式协和客机便因跑道上一小块金属物而发生坠机事故。为了保障客机的安全飞行,机场也必须保持跑道的干净。喷气客机庞大的体量也将航站楼跟着变大,这逐渐演变成对旅客体力的一种考验,不断增大的内部空间不得不让工程师们考虑到机场内的机动性。

图13:鸟瞰5号航站楼

  No 4. 如何让旅客更加快捷的登机?

  最先考虑到机动性的是美国达拉斯沃斯堡机场,沃斯堡机场在开始建造时有一条半公里长的走廊,机场的管理者察觉他们必须让乘客以更加轻松的方式登机。加州的采石场带给了他们的灵感,这座采石场拥有长达9英里的运输带,将石块运送到远处的水坝。沃斯堡机场的工程师将运输石料的运输带改良之后引入到了机场内部,他们在橡胶运输带下的轨道上铺设了木制托板,这也被称之为电动步道(图14)。整个系统由电动马达驱动,在沃斯堡机场启用时吸引了20万名游客前来参观。

图14:电动马达驱动的步道

  现在运送旅客的问题已不仅限于机场内部,而是如何高效快捷将旅客送至航站楼。希斯罗5号航站楼对此架设了一套颇具实验性的运输系统:PRT(个人捷运系统),电脑系统控制的个人捷运系统采用“豆荚式”式的车厢(图15)设计,每3秒可运送4名旅客到航站楼,因为有导轨限制,它既不需要司机也不会相互碰撞。运营前期将投放18辆“豆荚车”往返于停车场和5号航站楼之间。相比于公交车而言,“豆荚车”可以提高一倍的运力。

图15:个人捷运系统

  越来越多的乘客搭乘飞机旅行,这也成为恐怖分子眼中理想的目标。亚特兰大机场为了保障1400万旅客的安全措施,不得不采取更为先进的安防措施。

  No 5:如何在大客流量下保证安全性(Security)?

  1970年,巴勒斯坦恐怖分子劫持3架喷气式客机,将客机带往约旦沙漠地带。此后美国政府决定在飞机上派驻携带武器的安保人员,但以暴制暴的形式在空中行不通,流弹既可能伤及旅客,又能打穿机体造成爆炸性减压的灾难性后果。必须将劫机的恐怖分子留在地面才能真正的解决问题。逢人必检的安全措施也给亚特兰大机场带来了极大的困扰,这次工程师们在锯木厂寻找到了解决方法。价值上千美金的剖木机刀片是伐木的重要工具,木材内含有的小型金属物都有可能弄坏昂贵的刀片,因此在木材进入剖木机之间都要接受金属探测器的检验,工人们经常会在木材中发现子弹和钉子,而这两项正是机场安保人员的头等大患。金属探测器(图16)利用巨大电圈产生电磁脉冲,电磁脉冲遇到金属物时会反射电磁回波,这将触发警铃。这种仪器在运用到机场当中,即使不用搜身也能发现违禁物品。

图16: 金属探测工作原理

  但金属探测器不能解决所有安全问题,这反而引爆了安保人员和恐怖分子之间的科技攻防战。2001年12月22日,FBI逮捕了一名企图在客机上引爆土制炸弹的嫌疑人,这名嫌疑人在他的鞋子中埋设了塑胶炸弹,并成功躲过安检顺利登机。现在则有一种专门的仪器来应对这种问题,拱门式检测器(图17)利用空气喷出的气流移除头发和衣物上的粒子,然后将粒子吸入到微量爆炸物都能侦测到的侦测器中。恐怖分子攻击机场不仅仅会伤害到民众,还会重创国家的经济和形象。5号航站楼采用新型特殊X光扫描仪,每天检查8万多旅客,X光扫描仪利用多束X光测量每件行李的原子量,然后自动显示可疑物品,进而加速整个检测进程。

图17: 拱门式检测器工作原理

  解决了安保问题的机场将旅客量带入了新高度,这同样引来的新的难题——更多的行李量。这次的参照物则是洛杉矶机场。

  No 6. 如何处理更为庞大的行李问题?

  1975年,洛杉矶国际机场每年需要为2400万名旅客提供服务和两倍于此的行李数。航空公司一直希望能够将行李分拣的作业自动化,但他们却找不到能读取行李标签的机器,一直到1974年一包口香糖带动了行李分拣作业的进步。口香糖是最先采用条码的产品,这种产品的相关信息通过黑白线条来加密,线条会通过反射激光扫描仪的光线传输到电脑,接着会解析信息并显示产品的价格,这种仪器改进之后成为行李分拣系统的最佳解决方案。

图18 : 激光扫描条码技术

  但在条码技术引入机场的初期应用时并不顺利,条码标签可能出现在行李上的任何一个地方,因此机器从各个角度朝向行李发射激光,甚至包括底部发射(图19),接下来中央电脑会处理标签上的资料,然后将行李分别送往正确的飞机上。但即使是最先进的机器依然会犯错,目前光是美国的航空公司每年依然会误送300多万件行李。

图19:行李标签扫描系统

  希斯罗机场5号航站楼每小时能处理4千多件行李,将形状各异的行李送到正确的去处也是一件极其繁重的后勤作业。希斯罗机场在行李配送之前一直“声名狼藉”,因此5号航站楼期望通过新系统打一个翻身仗。5号航站楼拥有业内最大的行李系统(当时)价值近5亿美元,内部拥有5英里长的高速行李轨道和11英里普通的输送带。整座航站楼也是围绕行李系统为中心来建造(图20),系统工程师耗费13年来打造这套系统,最后又经过8个月时间来测试。最终的考验是在4小时内处理1.2万件行李,这也是行李系统处理的极限。整套系统的基石仍是传统的条码扫描系统,中央电脑系统追踪控制行李的走向,这是一场不能失败的“战役”。

图20 : 5号航站楼的分拣系统图

  1993年,丹佛机场开始采用全自动行李处理系统,本来能给机场带来极大效率提升的系统却引发了一场灾难,不断有行李从输送带上飞出并卡住主运输带。丹佛机场不得不延期一年才投入使用。为了以防万一,5号航站楼还设有另一套行李分拣系统,两套系统的规模一样大。

图21:机器会将慢速输送带上的行李送到平台车上

  希斯罗机场还需要处理一个特殊的行李问题——过境机场旅客的行李。

  早期的行李储存设备可以容纳4千件行李,并且由机器人进行操作,机器会自动取回行李然后将行李送上飞机。为确保行李能及时登上飞机,机器会将慢速输送带上的行李送到平台车上,平台车则将行李送到位于航站楼地下室的传输系统上,平台车(图21)完全依靠磁加速器前进,时速可以达到18英里,这台系统的终极目标就是在15分钟内将柜台上的行李送上客机,在测试中1.2万件行李无一丢失。

图22:移动中的平台车

  希斯罗机场和其他机场一样,原本是一片草地,通过不断地扩建和科技的加持让希斯罗机场保持了竞争力。5号航站楼更是一座高科技建筑,内部空间也有极高的再塑性,并可随时顺应将来机场内部作业形态的变化。一步步的科技进展打造了新世代机场——伦敦希斯罗机场。

图23:西斯罗机场5号航站楼内景

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