航空障礙燈安全性初步分析

蔡超劉剛

(天津大學(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

1 我國民用直升機(jī)使用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

美國在國民生產(chǎn)總值 (GDP)達(dá)到一萬億美元時(shí)，共擁有民用直升機(jī)8000多架;而2000年，當(dāng)我國的GDP超過一萬億美元時(shí)，民用直升機(jī)的數(shù)量卻只有美國當(dāng)年的1%左右。若按日本每12.1萬人擁有1架民用直升機(jī)的比例計(jì)算，我國應(yīng)該擁有107400架民用直升機(jī)。而目前，我國擁有民用直升機(jī)的單位有22家，在冊的民用直升機(jī)總數(shù)僅為97架。從發(fā)達(dá)國家的空中交通發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來看，我國民用飛機(jī)數(shù)量還有很大的增長空間。從1997年開始，我國放開了對公民申請私人飛行駕照的限制，考私人飛行駕照逐漸成為都市新時(shí)尚;2003年5月1日頒布實(shí)施了《通用航空飛行管制條例》，簡化了私人使用空域的申請手續(xù)，這些都為私人飛機(jī)擁有者鋪平了“通天”之路。據(jù)對中國民用直升機(jī)市場需求的調(diào)查，我國民用直升機(jī)市場的需求量到2020年將達(dá)到10000架左右。而這些民用直升機(jī)無疑集中在我國的大中城市上空，這將是對城市建筑群的航空障礙燈系統(tǒng)的極大考驗(yàn)。

2 航空障礙燈使用現(xiàn)狀

2.1 航空障礙燈分類

根據(jù)國際民航組織頒發(fā)的相關(guān)規(guī)范［1］，航空障礙燈分低光強(qiáng)、中光強(qiáng)和高光強(qiáng)三大類，其中:

①低光強(qiáng)航空障礙燈為恒定發(fā)光、紅色，有效光強(qiáng)100cd±25%，一般不單獨(dú)使用，而必須與中光強(qiáng)、高光強(qiáng)障礙燈配合使用。如45米以上的建筑物及其設(shè)施設(shè)置有多層中光強(qiáng)或高光強(qiáng)障礙燈，在中光強(qiáng)或高光強(qiáng)障礙燈之間可設(shè)置低光強(qiáng)障礙燈。

②中光強(qiáng)障礙燈按發(fā)光要求分為兩種:

a、中光強(qiáng)A型障礙燈為白色閃光燈，有效光強(qiáng)2000cd～20000cd，閃光頻率為每分鐘20～60次，用于105米以上的建筑物和設(shè)施及背景光較強(qiáng)的障礙物或與高光強(qiáng)B型障礙燈配合使用。

b、中光強(qiáng)B型障礙燈為紅色閃光燈，有效光強(qiáng)2000cd±25%，閃光頻率為每分鐘20～60次，用于105米以下的建筑物和設(shè)施或與中光強(qiáng)A型、高光強(qiáng)A型障礙燈配合使用。

③高光強(qiáng)障礙燈按發(fā)光要求分為兩種:

a、高光強(qiáng)A型障礙燈為白色閃光燈，并在白晝、黃昏或黎明及夜間全天候變光強(qiáng)閃光，有效光強(qiáng)分別為白晝200000cd±25%;黃昏或黎明20000cd±25%;夜間2000cd±25%;閃光頻率為每分鐘20～70次，主要用于超過150米以上的建筑物及其設(shè)施使用，或與中光強(qiáng)障礙燈配合使用。

b、高光強(qiáng)B型障礙燈為白色閃光燈，并在白晝、黃昏或黎明及夜間全天候變光強(qiáng)三層同步閃光，有效光強(qiáng)分別為白晝100000 cd±25%;黃昏或黎明20000cd±25%;夜間2000cd±25%，閃光頻率為每分鐘20～70次，主要用于標(biāo)示電線、電纜塔架和高壓輸電線鐵塔等處。

2.2 航空障礙燈布置方式［2］［3］

①航空障礙燈的設(shè)置應(yīng)標(biāo)志出障礙物的最高點(diǎn)和最邊緣 (即視高和視寬)。

②高度在45米至150米的建筑、設(shè)施或拉線塔、樓頂塔等，應(yīng)在其頂端設(shè)置中光強(qiáng)A型障礙燈，并為白色閃光，其下分層設(shè)置紅色中光強(qiáng)B型障礙燈。

③高于150米的超高物體 (如廣播電視塔、大跨越斜拉橋等)應(yīng)在其頂端設(shè)置高光強(qiáng)A型障礙燈，并且應(yīng)以中、高光強(qiáng)障礙燈配合使用。

④超高壓輸電線鐵塔應(yīng)設(shè)置高光強(qiáng)B型障礙燈，并為三層同步閃光。位置為塔頂、電纜下垂最低點(diǎn)及二者中間位置，且需沿電纜走線方向設(shè)于鐵塔外側(cè)。

⑤對于煙囪或其他類似性質(zhì)的建筑物，頂部障礙燈必須位于頂端1.5～3米之間，考慮到煙囪對燈具污染，障礙燈可裝設(shè)在低于煙囪口4～6米的部位(詳見國家標(biāo)準(zhǔn)節(jié)選)。

⑥如果物體的頂部高出周圍地面45米以上，必須在其中間層加設(shè)障礙燈，中間層的距離必須不大于45米，并盡可能相等 (城市中百米以上的超高建筑物尤其要考慮中間層加設(shè)障礙燈)。地處城市和居民區(qū)附近的建筑物裝設(shè)中間層障礙燈時(shí)，應(yīng)考慮避免使居民感到不快。一般要求從地面只能看到散逸的光線。

⑦外形龐大的建筑群所設(shè)置障礙燈應(yīng)能從各個(gè)方面看出物體的輪廓，水平方向也可參考以45米左右的間距設(shè)置障礙燈。

⑧不論哪種障礙燈，其在不同高度的障礙燈數(shù)目及排列，應(yīng)能從各個(gè)方位都能看到該物體或物體群輪廓，并且考慮障礙燈的同步閃爍，以達(dá)到明顯的警示作用。

2.3 航空障礙燈國內(nèi)外使用現(xiàn)狀

城市的夜空，除了萬家燈火和繁華商業(yè)區(qū)的璀璨霓虹，人們還能在一些高大建筑物上發(fā)現(xiàn)許多一閃一閃的紅點(diǎn)，它們就是航空障礙燈。用其標(biāo)志飛行障礙物，可以對飛行員起到警示作用，被廣泛應(yīng)用于大橋、城市高層建筑、廣播電視及微波通訊塔、電力工業(yè)高塔、煙囪及機(jī)場周圍設(shè)施等。

以美國、日本為例，發(fā)達(dá)國家警用、醫(yī)用、搶險(xiǎn)用以及私用直升機(jī)數(shù)量多，有低空飛行和停機(jī)的需要，因此航空障礙燈系統(tǒng)比較發(fā)達(dá)。而我國民用直升機(jī)擁有量遠(yuǎn)少于發(fā)達(dá)國家，航空障礙燈也相應(yīng)發(fā)展緩慢。

目前，我國航空障礙燈的使用主要存在問題包括:

①法律、法規(guī)方面:美國、日本等國要求高度45米以上物體均要安裝航空障礙燈。而我國對于何種高度的建筑物要安裝航空障礙燈沒有強(qiáng)制性要求，只有上海、大連、廈門等部分沿海城市明文規(guī)定20層以上或高度45米以上的高層建筑物、構(gòu)筑物必須安裝航空障礙燈。由此導(dǎo)致我國城市建筑群的航空障礙燈系統(tǒng)設(shè)置極其不完善，隨著民用飛機(jī)數(shù)量的增加，安全隱患將會(huì)逐漸顯露出來。

②國產(chǎn)航空障礙燈產(chǎn)品質(zhì)量方面:雖然，中國民航總局于1999年發(fā)布，2000年實(shí)施《航空障礙燈》標(biāo)準(zhǔn)是行業(yè)制造標(biāo)準(zhǔn)，但我國從未對航空障礙燈的銷售實(shí)施許可制度，也未將其列入3C認(rèn)證目錄。國產(chǎn)航空障礙燈雖然產(chǎn)品種類繁多，但總體水平都較低，燈具控制方式比較單一，施工復(fù)雜，維修難度大［4］。

③航空障礙燈系統(tǒng)的安裝、運(yùn)行監(jiān)管方面:按照美國聯(lián)邦航空總署的要求，航空障礙燈的運(yùn)行情況必須24小時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)生故障，必須在30分鐘內(nèi)向其報(bào)告，否則可處以最高8萬美元的罰款。在我國，許多用戶并不按標(biāo)準(zhǔn)要求對航空障礙燈進(jìn)行安裝，主要表現(xiàn)在:沒有勾勒出建筑物輪廓;建筑物突出點(diǎn)不明顯等。另外，障礙燈出現(xiàn)故障也不能及時(shí)排除，國家尚沒有對航空障礙燈的安裝、運(yùn)行情況進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控、管理［5］。

另外，航空障礙燈 (尤其是高強(qiáng)度燈)是城市光污染源，這個(gè)問題困擾著所有使用航空障礙燈的地區(qū)。它會(huì)對周圍居民正常生活造成影響，當(dāng)光強(qiáng)過高時(shí)，甚至?xí)︼w機(jī)駕駛員形成干擾［6］。

3 航空障礙燈安全隱患分析

按照通用的布置方式，城市航空障礙燈系統(tǒng)視覺效果如圖1所示，圖中沿建筑輪廓線間隔布置的點(diǎn)為航空障礙燈。

圖1 城市航空障礙燈系統(tǒng)視覺效果Fig.1 The visual effect of aeronautic impediment lights in city

在城市建筑群中穿梭的直升機(jī)速度為0～250km/h(約合0～70m/s)，人類反應(yīng)時(shí)間一般在0.15s～0.4s，由此得出航空障礙燈的安全辨識距離極限為30m左右，而目前大城市中很多高層建筑間隔不過幾十米，已經(jīng)接近人類反應(yīng)的極限。若相鄰建筑的航空障礙燈閃爍頻率相同，又恰好同步，這樣易使飛機(jī)駕駛員判斷錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致事故。如圖2，兩相鄰建筑物航空燈恰好同時(shí)亮起，使得右側(cè)的16盞障礙燈形成一個(gè)連續(xù)的平面，增加了對障礙物的辨識難度。在高亮度狀態(tài)下 (圖2(a))，可以很容易的辨識出建筑物立面與建筑間空域，但當(dāng)亮度下降后 (圖2(b))，便需要增加對建筑立面與建筑物間空域辨識的反應(yīng)時(shí)間。圖3只是示意性的描述，而夜晚光環(huán)境亮度可能更低，導(dǎo)致飛行事故的隱患也更大。

圖2 航空障礙燈使用安全隱患分析 (圖中黑點(diǎn)表示航空障礙燈)Fig.2 Security problem analysis of aeronautic impediment lights(the dotted points shown in the diagram)

4 航空障礙燈系統(tǒng)提升方案

4.1 通過改善航空障礙燈的組合方式，向飛行員提供更豐富的引導(dǎo)信息，從而提高飛行安全度

以十字形航空障礙燈 (如圖3所示)代替點(diǎn)狀發(fā)光的傳統(tǒng)障礙燈，此種形狀的障礙燈可形成類似照相機(jī)的取景框以標(biāo)示建筑立面 (如圖4所示)。“取景框”以內(nèi)為建筑立面，以外則為建筑間空域。由此可避免現(xiàn)行航空障礙燈布置方式導(dǎo)致的障礙面難以辨別的情況。十字形航空障礙燈發(fā)光帶的合理長度有待進(jìn)一步試驗(yàn)研究確定。

圖3 十字形航空障礙光帶示意Fig.3 The diagram of aeronautic impediment criss-cross light band

圖4 建筑立面圖 (粗黑線表示十字形光帶)Fig.4 Building facade(bold lines show the criss-cross light band)

4.2 航空障礙燈眩光解決方案

①完善燈具設(shè)計(jì)

航空障礙燈的燈罩應(yīng)按3～7度的垂直光束伸展角度設(shè)計(jì)，使最大光能集中射向天空，減少對低層居民的影響。

②采用LED光源

低光強(qiáng)的航空障礙燈一般設(shè)置在建筑的較低處(30～90米)，住宅樓一般不會(huì)超過這一高度。LED光源功率相對較小，光強(qiáng)集中，便于控光，將此種光源用于低光強(qiáng)的航空障礙燈，可最大程度的減小對周圍居民的影響。

4.3 航空障礙燈規(guī)劃設(shè)計(jì)

隨著我國城市化進(jìn)程的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，城市間的往來更加密切、頻繁。空中交通與道路交通一樣，需要合理的引導(dǎo)系統(tǒng)，便于駕駛員到達(dá)目的地。可以結(jié)合航空障礙燈系統(tǒng)對城市空中交通進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，具體方案如下:

①通過顏色向飛行員傳遞建筑物相關(guān)信息，如對城市不同行政區(qū)域內(nèi)的高層建筑設(shè)置不同顏色的航空障礙燈，由此可從空中直觀地辨別出城市行政區(qū)劃，便于發(fā)現(xiàn)目的地，如圖5所示，圖中三個(gè)區(qū)域分別為三個(gè)獨(dú)立的行政區(qū)，每一行政區(qū)內(nèi)使用一種顏色的航空障礙燈，以區(qū)別其他行政區(qū);又如可以對不同高度的建筑物采用不同顏色的障礙燈，通過障礙燈的顏色辨識建筑物的高低，使飛行員提早對障礙物高度做出判斷。

圖5 航空障礙燈通過顏色進(jìn)行城市夜晚行政區(qū)劃示意圖Fig.5 Diagram of administrative divisions by color of aeronautic impediment lights in city

②航空標(biāo)志物的設(shè)置 (如高層建筑頂層部位安裝公司LOGO，并配合相應(yīng)的照明)，進(jìn)一步便于飛行員在不熟悉的城市辨別單體建筑或構(gòu)筑物。

［1］ MH/T60121999:國際標(biāo)準(zhǔn)和建議措施機(jī)場，附件十四.

［2］GB 50034－2004建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ［S］.

［3］JGJ 16－2008民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范 ［S］.

［4］孫作五.航空障礙燈的安裝及檢驗(yàn).建筑電氣，1999，第1期:40～44.

［5］周荔.淺談航空障礙燈在民用工程中的設(shè)置.四川建筑，2010，第30卷1期:38～39.

［6］朱麗華.航空障礙燈繞不過四道坎.中華建筑報(bào)，2004.