《机场交通模拟器：用于防冰跑道的冬季产品——通过机械激活实现化学性能》

《Results in Engineering》：Airport Traffic Simulator for Anti-icing Runway Winter Products: Chemical Performance by Mechanical Activation

机场除冰剂机械激活优化研究：基于交通模拟器的实验室测试表明，频繁机械激活（每2分30秒）可显著延长固体除冰剂（如钠甲酸钾）与液体复合配方（如醋酸钾）的防冻时间，最高达37.5分钟，且温度升高（-2℃→-10℃）与降水强度降低（5→13g/dm2/h）可同步提升除冰效率。热成像技术证实冰层形成与溶解的动态过程，为精准调控机场除冰剂施用频率及用量提供数据支撑。

　　在冬季运行期间，机场的运行安全和效率受到天气条件的显著影响。冰冻和结冰现象不仅会威胁航空器的起降安全，还可能对跑道的维护成本和环境产生负面影响。为了应对这一挑战，研究者们致力于开发更高效的除冰和防冰材料，并探索在实验室环境中模拟真实机场运行条件的方法。其中，机场交通模拟器（Airport Traffic Simulator, ATS）被设计用于再现机场跑道的复杂情况，包括机械激活过程和不同天气参数下的冰层形成情况。通过ATS，研究团队能够系统地评估防冰产品（Runway De-icing Product, RDP）的性能，并优化其使用策略，以确保在各种气候条件下都能实现最佳效果。

防冰产品在机场跑道上的应用，主要目的是防止冰在飞机起降过程中形成，从而保证运行安全。目前，常见的防冰产品包括液体形式的钾乙酸（KAC）、钾甲酸（KFO）以及基于甘油的混合物，还有固体形式的钠甲酸（NAFO）、钠乙酸（NAAC）和两者的混合物。这些产品的作用机制主要依赖于其对水分子的物理和化学作用，例如通过形成氢键来干扰冰的分子结构，从而减缓其结晶过程。与传统的氯化物和尿素基产品相比，这些有机防冰剂对环境的影响较小，因为它们不会像氯化物那样产生强烈的腐蚀性，也不会像尿素那样在降解过程中释放出有毒的氨气。然而，这些产品的实际应用效果仍然受到多种因素的影响，包括降水类型、强度、温度以及机械激活频率等。

在实际操作中，机械激活被认为是提升防冰产品效率的关键因素之一。机场运行过程中，飞机和除冰车辆的频繁通过会对跑道表面施加机械压力，从而促使防冰产品发生化学反应，使其更有效地与冰层接触并发挥作用。例如，在蒙特利尔机场的测试中，研究人员发现，如果除冰车辆能够持续、均匀地对防冰产品施加机械力，那么产品的有效作用时间将显著延长。这一现象表明，机械激活不仅能够促进产品与冰层的融合，还能增强其在跑道表面的分布效果，从而减少冰的形成并延长防冰保护的时间。因此，研究团队提出了一种新的实验方法，即通过ATS模拟机场运行条件，从而更准确地评估防冰产品的性能。

为了验证这一假设，研究团队在实验室环境中设置了ATS，并模拟了不同降水强度和温度条件下的跑道环境。实验结果显示，随着降水强度的增加，防冰产品的有效时间显著缩短。例如，在降水强度为5 g/dm2/h的情况下，产品的有效时间可达32.5 ± 2.5分钟，而当降水强度增加到13 g/dm2/h时，有效时间则降至12.5 ± 2.5分钟。这表明，降水强度是影响防冰产品性能的重要因素之一。此外，温度的变化同样对产品效果产生显著影响。在-10°C的低温环境下，防冰产品的有效时间仅为12.5 ± 2.5分钟，而在-2°C的较高温度下，有效时间则延长至37.5 ± 2.5分钟。这一趋势表明，温度升高有助于防冰产品更好地发挥作用，从而延长其保护时间。

通过ATS的实验设计，研究团队还发现，机械激活的频率对防冰产品的效果具有决定性影响。在相同的降水强度和温度条件下，如果除冰车辆能够以更短的间隔（如每2分30秒一次）通过跑道表面，那么防冰产品的有效时间将比以较长间隔（如每5分钟一次）通过的车辆延长一倍。这种频繁的机械激活不仅能够提高产品在跑道上的反应速度，还能促进其更均匀地分布，从而形成更广泛的保护区域。相比之下，如果车辆通过间隔较长，那么防冰产品的效果可能局限于局部区域，无法有效防止冰的形成，甚至可能导致冰层在未被激活的区域重新积累。

此外，研究团队还发现，机械激活不仅能够提升防冰产品的效果，还能显著减少其对环境的影响。传统的除冰方法通常需要在跑道上大量使用化学产品，而频繁的机械激活则可以在不增加产品使用量的情况下延长其有效时间。这意味着，机场可以通过优化车辆的运行频率，而不是增加产品的用量，来实现更高效的除冰效果。这种方法不仅可以降低运营成本，还能减少化学物质的排放，从而减轻对周围生态系统的影响。特别是考虑到防冰产品在融化过程中可能释放出的盐分和化学成分，减少其使用量对于环境保护具有重要意义。

然而，尽管ATS实验提供了有价值的参考数据，但在实际应用中仍存在一些挑战。首先，目前的实验设计主要依赖于固定的车辆运行轨迹和速度，而实际机场运行中，车辆的路径和速度可能会因各种因素（如交通流量、天气变化等）而有所不同。因此，现有的实验方法可能无法完全反映真实运行环境中的复杂情况。其次，机械激活的效果主要集中在车辆轮胎接触的局部区域，而实际运行中，冰层可能分布在跑道的更大范围内，这使得单一的机械激活难以覆盖所有区域。因此，研究团队建议在未来的实验设计中，应考虑更复杂的机械激活模式，例如通过调整车辆运行路径和频率，以模拟更接近真实机场的运行情况。

此外，实验中使用的防冰产品的粒径和颗粒特性也对机械激活的效果产生影响。目前，研究团队采用的是符合行业标准的细颗粒防冰产品，这些产品能够更好地附着在跑道表面并均匀分布。然而，实际运行中，防冰产品的粒径可能因不同供应商或应用条件而有所变化，这可能会对产品的性能产生一定影响。因此，未来的实验设计需要进一步研究不同粒径对机械激活效果的影响，以确保实验结果能够适用于更广泛的实际应用场景。

在实验过程中，研究团队还利用热成像技术来监测防冰产品的反应情况。热成像能够直观地显示冰层形成过程中产生的热量变化，从而帮助研究人员更准确地判断防冰产品的失效时间。与传统的视觉检查相比，热成像技术具有更高的精度，因为它能够捕捉到肉眼难以察觉的微小温度变化。例如，在实验中，当防冰产品开始失效时，热成像技术能够检测到冰层形成所引起的温度上升，从而提供客观的数据支持。这种技术的应用不仅提高了实验的准确性，还为未来开发更智能的除冰系统提供了可能性。

为了进一步提升防冰产品的性能，研究团队还建议在未来的实验和应用中引入更先进的监测工具，如拉曼光谱仪（Raman spectroscopy）。拉曼光谱仪能够实时监测防冰产品的浓度变化以及其在跑道表面的固液相变过程，从而提供更详细的化学反应信息。通过结合热成像和拉曼光谱技术，研究人员可以更全面地了解防冰产品在不同条件下的行为特征，为优化其使用策略提供科学依据。此外，拉曼光谱仪的引入还可能促进防冰产品的长期性能研究，帮助研究人员预测其在不同环境下的持续效果。

综上所述，防冰产品的性能评估和优化是一个复杂且多维度的过程，涉及化学成分、机械激活频率、天气条件以及监测技术等多个方面。通过ATS实验，研究团队能够更系统地分析这些因素对产品效果的影响，并为机场维护团队提供科学依据。然而，为了确保实验结果能够真正应用于实际运行环境，还需要进一步研究和改进实验设计，以更好地模拟真实条件下的机械激活过程和防冰产品行为。同时，结合先进的监测技术和人工智能，可以实现更智能化的防冰策略，为机场提供更精准的除冰和防冰决策支持。