一、前言


南極具有獨(dú)特的地緣價(jià)值、氣候環(huán)境、潛在資源，對人類可持續(xù)發(fā)展、構(gòu)建人類命運(yùn)共同體具有重大意義，也是世界強(qiáng)國競爭與合作的焦點(diǎn)。氣候變暖導(dǎo)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(jì)、安全等戰(zhàn)略價(jià)值，世界強(qiáng)國在南極的影響力競爭進(jìn)入了由氣候變化驅(qū)動(dòng)的地緣政治時(shí)代 [1]。在《南極條約》的規(guī)范下，世界強(qiáng)國主要采取在南極開展科學(xué)考察的方式來發(fā)揮影響力。實(shí)施南極科學(xué)考察，依賴于物資運(yùn)輸、人員投送、裝備支持 [2]，其中物資與人員投送能力是科學(xué)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(yùn)輸只能通過海運(yùn)、航空運(yùn)輸實(shí)現(xiàn)。然而，海運(yùn)需要借助破冰船且時(shí)間段有限(當(dāng)年 11 月至次年 3 月)，運(yùn)輸周期的局限性明顯;南極大陸沿海沒有港口基礎(chǔ)設(shè)施、海岸導(dǎo)航設(shè)施，物資裝卸效率低下，進(jìn)一步制約科學(xué)考察任務(wù)的實(shí)施效率。相比之下，航空運(yùn)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(xué)考察強(qiáng)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(yùn)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(shè)大型機(jī)場、發(fā)展南極航空運(yùn)輸網(wǎng)，將是我國由極地大國邁向極地強(qiáng)國的必經(jīng)之路。


本文從工程技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀梳理與未來展望的角度，開展我國南極機(jī)場冰雪跑道的綜合性技術(shù)研究;凝練技術(shù)性挑戰(zhàn)，總結(jié)設(shè)計(jì)方案與關(guān)鍵技術(shù)，提出重點(diǎn)研究工作建議，以期為我國的南極大型機(jī)場建設(shè)提供工程技術(shù)方面的先導(dǎo)性借鑒。


二、南極機(jī)場現(xiàn)狀分析


(一)南極冰雪機(jī)場分類


南極機(jī)場主要依據(jù)建造位置、跑道類型、起降飛機(jī)類型進(jìn)行劃分。根據(jù)機(jī)場建設(shè)位置、跑道類型大致分為冰雪機(jī)場、礫石機(jī)場 [2,4,5](見表 1)。其中，冰雪機(jī)場跑道根據(jù)工程環(huán)境、道面材料進(jìn)一步細(xì)分為海冰跑道、藍(lán)冰跑道、雪橇跑道、壓實(shí)雪層跑道。


表 1南極現(xiàn)存機(jī)場的跑道類型及數(shù)量


注：冰雪機(jī)場劃分依據(jù)跑道建造位置。


1. 海冰跑道


在海冰上建設(shè)跑道，分為季節(jié)跑道、臨時(shí)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(shí)處理的難度相對較小，可滿足雪橇式、輪式飛機(jī)的起降要求，但建設(shè)運(yùn)營成本較高。


2. 藍(lán)冰跑道


藍(lán)冰是密實(shí)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(shè)冰雪機(jī)場跑道的區(qū)域中，藍(lán)冰區(qū)為優(yōu)選：藍(lán)冰密度與硬度較高，作為跑道的基礎(chǔ)層，具有天然的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)勢;表層無積雪，僅需對冰面進(jìn)行平整與刻槽處理，成本較低。然而，南極的藍(lán)冰區(qū)域極少，占冰蓋表面積不超過 1% [6];已經(jīng)建設(shè)使用的藍(lán)冰機(jī)場跑道僅有 6 條，均可進(jìn)行中 / 重型輪式運(yùn)輸機(jī)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(shù)僅限于簡單的平整與壓實(shí)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(jī)，無法進(jìn)行中 / 重型輪式運(yùn)輸機(jī)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(shè)的臨時(shí)跑道，俄羅斯在東方站、美國在南極點(diǎn)建設(shè)的跑道。


4. 壓實(shí)雪層跑道


受南極實(shí)地條件限制，當(dāng)無法在科考站周圍找到合適的藍(lán)冰區(qū)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)中 / 重型輪式運(yùn)輸機(jī)起降，美國、俄羅斯分別研發(fā)了人工雪面改造技術(shù)，在冰架或冰蓋上(非藍(lán)冰區(qū))通過大面積施工，建設(shè)人工改造雪層跑道。此類跑道的技術(shù)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(shè)成本較高，但維護(hù)成本相對較低，在南極具有更強(qiáng)的地理因素適配性，對選址條件要求較低，應(yīng)是我國在南極建設(shè)大型機(jī)場的首選。


(二)國外冰雪機(jī)場建設(shè)現(xiàn)狀


南極具有代表性的機(jī)場是麥克默多機(jī)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(jī)場主要為美國的南極科學(xué)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(diǎn)的阿蒙森斯科特站之間往返飛行運(yùn)輸(見圖 1);可起降 C-5、C-141、C-130 等中大型軍用運(yùn)輸機(jī)，具有西南極航空樞紐地位 [9]。俄羅斯新扎列夫考察站藍(lán)冰機(jī)場、挪威 Troll 考察站藍(lán)冰機(jī)場，是從南非開普敦方向進(jìn)出南極的樞紐站，跑道能夠起降伊爾–76 重型運(yùn)輸機(jī)，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(jī)場的藍(lán)冰跑道，以商業(yè)運(yùn)輸模式實(shí)現(xiàn)了澳大利亞本土(霍巴特)連接?xùn)|南極澳大利亞凱西站的物資與人員投送能力 [9]。英國在藍(lán)天野外考察站建有藍(lán)冰跑道，在哈雷研究站建設(shè)雪面跑道以供 BT-67 運(yùn)輸機(jī)(安裝滑雪板)起降。


圖 1南極科考站分布


(三)我國南極冰雪機(jī)場建設(shè)與運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)


2008 年，我國購置并運(yùn)用了第一架適應(yīng)極區(qū)飛行條件的固定翼飛機(jī)(原型機(jī)為美國巴斯勒 BT-67 運(yùn)輸機(jī)，國內(nèi)命名為雪鷹 601)(見圖 2)，完成飛機(jī)基礎(chǔ)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(jī)，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(jī)完成昆侖站、泰山站、中山站附近的冰蓋表面雪上建設(shè)跑道飛行試驗(yàn)，在跑道建設(shè)過程中對自然雪層進(jìn)行了平整處理;依然不具備在南極建設(shè)和運(yùn)營壓實(shí)雪面跑道、開展重型運(yùn)輸機(jī) / 中程客機(jī)飛行起降的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。


圖 2中國雪鷹 601 固定翼飛機(jī)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(jī)執(zhí)行南極冰蓋內(nèi)陸飛行運(yùn)輸任務(wù)，洲際航空運(yùn)輸仍依托于澳大利亞等國的商業(yè)運(yùn)輸能力;機(jī)場地面保障設(shè)施不完善，沒有大型洲際機(jī)場，也不掌握海冰、藍(lán)冰、壓實(shí)雪層等類型跑道的建造和運(yùn)維技術(shù)。這一基本狀況，難以滿足我國向極地科學(xué)考察強(qiáng)國邁進(jìn)的宏觀需求。


三、我國冰雪機(jī)場建設(shè)面臨的挑戰(zhàn)


南極極端而復(fù)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(shè)面臨的工程難題與技術(shù)瓶頸。


(一)機(jī)場跑道選址


建設(shè)海冰、藍(lán)冰或壓實(shí)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(jié)轉(zhuǎn)換等細(xì)節(jié)。藍(lán)冰區(qū)通常會(huì)存在大量的冰裂隙，開展準(zhǔn)確的探測與定位，需要運(yùn)用先進(jìn)的探冰雷達(dá)、衛(wèi)星遙感等手段。重點(diǎn)進(jìn)行候選地區(qū)的系列冰表面地形、冰體物理化學(xué)性質(zhì)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)及動(dòng) / 熱力學(xué)、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(dá)等地球物理方式探測海冰或冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)、裂隙、融化、表面滲透，選擇性實(shí)施現(xiàn)場鉆取冰樣等前期工作。這些工作涉及多學(xué)科交叉、多類技術(shù)綜合運(yùn)用，理論研究與實(shí)踐運(yùn)用具有一定的難度。


(二)機(jī)場跑道建設(shè)技術(shù)


建設(shè)能起降中 / 重型輪式運(yùn)輸機(jī)的冰雪跑道，離不開強(qiáng)大的后勤供應(yīng)保障，因此一般選擇在較為成熟的科考站附近開展機(jī)場建設(shè)。科考站的自然地理?xiàng)l件可能與冰雪跑道建設(shè)需求不匹配，如在中山站周圍 60 km 內(nèi)不具備藍(lán)冰跑道建設(shè)的自然條件。這是因?yàn)?，區(qū)域內(nèi)藍(lán)冰區(qū)的表面硬度不足，加之裂縫過多，難以承載重型運(yùn)輸機(jī)起降;區(qū)域內(nèi)的海冰在夏季會(huì)發(fā)生破裂，無法建設(shè)海冰跑道。我國宜選擇壓實(shí)雪層跑道技術(shù)路線，規(guī)劃和建設(shè)壓實(shí)雪層跑道 [11]。


目前世界上只有美國、俄羅斯完全掌握該項(xiàng)技術(shù)，且各自的技術(shù)特征、施工方法均有所不同;已有的多數(shù)南極機(jī)場跑道的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、建造技術(shù)、設(shè)計(jì)方法依賴于美國陸軍工程兵寒區(qū)研究與工程實(shí)驗(yàn)室在 20 世紀(jì)五六十年代通過大量實(shí)驗(yàn)積累的研究基礎(chǔ)。值得指出的是，我國在設(shè)計(jì)和建造大型藍(lán)冰機(jī)場或大型壓實(shí)雪層跑道方面，無論是設(shè)計(jì)參數(shù)、技術(shù)手段，還是特殊施工裝備都基本屬于空白。在相關(guān)國家技術(shù)封閉的客觀條件下，我國應(yīng)采取獨(dú)立自主開展技術(shù)攻關(guān)和工程驗(yàn)證的發(fā)展之路。


(三)機(jī)場跑道施工與維護(hù)


與鋼筋混凝土不同，冰雪是一種壓縮強(qiáng)度高、抗拉強(qiáng)度很低的固體材料;以冰雪作為地基的路面，在運(yùn)輸機(jī)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(shè)計(jì)與施工方面的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。受南極極端氣候環(huán)境制約，建設(shè)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(jī)械壓實(shí)和熱處理冰雪層的有關(guān)壓實(shí)技術(shù)、消耗能源、施工周期等極為困難。


四、南極機(jī)場冰雪跑道設(shè)計(jì)與建設(shè)


南極機(jī)場冰雪跑道的工程建設(shè)，其材料設(shè)計(jì)原理為：在經(jīng)典的剛性 / 柔性路面設(shè)計(jì)原則基礎(chǔ)上，以冰雪為土工材料建設(shè)跑道 [2]。通過冰雪材料來構(gòu)建可起降重型輪式運(yùn)輸機(jī)的跑道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是冰雪機(jī)場建設(shè)的關(guān)鍵。冰和雪的力學(xué)性質(zhì)研究、雪面改造是建設(shè)冰雪跑道的理論與技術(shù)基礎(chǔ)(見表 2)。


表 2不同跑道類型的設(shè)計(jì)要素與工程技術(shù)


(一)冰面跑道設(shè)計(jì)與維護(hù)


在南極適宜修建機(jī)場的地區(qū)中，年平均氣溫為–20~ –10 ℃;純冰的抗壓強(qiáng)度為 5~25 MPa [12]，而抗拉強(qiáng)度的平均值僅為 1. 43 MPa [11]。依據(jù)國外建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，冰體溫度變化、冰密度對于冰的抗壓強(qiáng)度、斷裂韌性的影響是顯著的。南極地區(qū)以冰面作為機(jī)場跑道建設(shè)基礎(chǔ)的特性可進(jìn)一步總結(jié)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(yīng)變率等形變因素方面與瀝青更為相近。從工程建設(shè)的角度而言，選擇冰面作為跑道建設(shè)基礎(chǔ)，綜合思路應(yīng)更側(cè)重于選址而非改造。這是因?yàn)?，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(shí)施大規(guī)模的人工改造。


南極地區(qū)的季節(jié)海冰、藍(lán)冰機(jī)場建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明 [13]，在冰層厚度足夠的條件下，應(yīng)優(yōu)先考慮冰面強(qiáng)度，以整體厚度來評估跑道強(qiáng)度;當(dāng)冰面溫度高于–5 ℃時(shí)，需要詳細(xì)監(jiān)測冰面情況以確認(rèn)冰面強(qiáng)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(shè)計(jì)過程需考慮由于飛機(jī)移動(dòng)荷載引起的水–冰之間的壓力增強(qiáng)。除了季節(jié)海冰跑道外，冰跑道也經(jīng)常建在移動(dòng)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(dòng)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(shí)配套建設(shè)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，定期修正冰面形狀。


(二)雪面跑道設(shè)計(jì)


雪面跑道的設(shè)計(jì)原則與柔性路面跑道設(shè)計(jì)方法相似，不同之處在于：需根據(jù)力學(xué)模型來估算運(yùn)輸機(jī)起落裝置應(yīng)力造成的雪面深度變化，考慮引入現(xiàn)代分層彈性路面設(shè)計(jì)方法來進(jìn)行雪道設(shè)計(jì)，使用人工方法、以燒結(jié)與壓實(shí)的聯(lián)合作用來開展雪層強(qiáng)度的深度改造。


國外的冰雪機(jī)場跑道設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，冰跑道應(yīng)根據(jù)不同的冰面類型開展區(qū)別化設(shè)計(jì)，雪面跑道建設(shè)方案則側(cè)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(shè)計(jì)，仍應(yīng)側(cè)重于應(yīng)力、荷載的分布，雪層的強(qiáng)度可以滿足柔性路面的模型設(shè)計(jì)和力學(xué)要求 [7]。在沒有人工改造的情況下，較深的雪由于自然壓實(shí)和燒結(jié)作用，通常比接近表面的雪具有更高的抗剪強(qiáng)度，從而降低了雪道建設(shè)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(xué)強(qiáng)度，主要以降低孔隙度、升高單位密度的形式來實(shí)現(xiàn)。除了自然降雪伴生的壓實(shí)過程外，可通過機(jī)械壓實(shí)、雪的燒結(jié)、重結(jié)晶密實(shí)化等變質(zhì)過程來降低雪的孔隙度。


具體而言，快速的機(jī)械壓實(shí)過程體現(xiàn)了應(yīng)力對于雪層孔隙度的直接改造，雪的燒結(jié)則是和重結(jié)晶作用共同對雪層晶體進(jìn)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(jié)過程需要數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間[13];人工技術(shù)主導(dǎo)的燒結(jié)過程較為迅速：接近熔點(diǎn)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(jié) [2]。因此，制造高強(qiáng)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(diǎn)附近燒結(jié)后降低溫度，由此提高強(qiáng)度 [13]。


(三)壓實(shí)雪層技術(shù)


中山站附近缺少優(yōu)質(zhì)藍(lán)冰區(qū)，壓實(shí)雪層跑道是我國在南極建設(shè)大型機(jī)場的優(yōu)選。從美國、俄羅斯此類跑道的應(yīng)用效果可以反推相應(yīng)基本原理：通過人工降低雪層密度來大幅度提高雪層強(qiáng)度，通過多階段、多期次施工，建造多層 / 復(fù)合高密度雪層。其中，人工方式大幅度提高雪層強(qiáng)度是建設(shè) / 改造雪層跑道的核心技術(shù)(見圖 3)。


目前幾乎所有的南極機(jī)場雪面跑道的處理技術(shù)以“分解–燒結(jié)–壓實(shí)”自然雪為主，相應(yīng)技術(shù)路線如圖 3 所示。根據(jù)南極雪面跑道的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，雪面改造分為兩個(gè)過程：①雪的人工機(jī)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(jié)作用迅速發(fā)生;②雪的人工燒結(jié)并配合機(jī)械壓實(shí)，可實(shí)現(xiàn)較高效率的雪密度提升，雪密度達(dá)到 700 kg/m3 時(shí)的雪強(qiáng)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(jìn)行雪的分解和壓實(shí)，然后在–10 ℃以下溫度條件下燒結(jié)。


圖 3壓實(shí)雪層跑道人工改造雪層的技術(shù)原理


由于無法精確控制雪溫，同時(shí)為了減少對有利天氣條件的依賴，在分解和壓實(shí)過程中，一些國家曾試圖采用臨時(shí)人工暖雪方式、開發(fā)加熱雪的處理技術(shù)，但實(shí)用效果受限：處理深度不超過 45 cm，需要大量的燃料補(bǔ)給 [11]。實(shí)際施工發(fā)現(xiàn)，以積雪厚度每 25 cm 澆水 3 cm 的方式來實(shí)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(qiáng)雪密度的方案，如用鋸末加固并改善雪層的物理性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)–壓實(shí)”處理后，密度提高至 800~900 kg/m3 ，更為堅(jiān)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(jī)平整自然冰面 [9];大范圍的跑道處理由配置激光引導(dǎo)的推土機(jī)完成 [15]。冰面跑道的維護(hù)工作包括：根據(jù)冰面高度的變化進(jìn)行修正，使用制冰機(jī)進(jìn)行定期處理以提供摩擦表面紋理，在運(yùn)輸機(jī)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(dá) 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(shè)備(由機(jī)械粉碎機(jī)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(dǎo)的細(xì)平地機(jī)、冰雪切割機(jī)。在壓實(shí)雪層處理方面，改裝的履帶式攤鋪機(jī)是良好選擇。


五、發(fā)展建議


南極科學(xué)考察實(shí)質(zhì)上成為綜合國力的一種象征。受破冰船運(yùn)載能力等客觀條件的影響，未來幾年我國南極內(nèi)陸科學(xué)考察規(guī)模將有所削減，內(nèi)陸科學(xué)考察、觀測系統(tǒng)建設(shè)等項(xiàng)目進(jìn)度將有所后延，可能削弱我國在南極活動(dòng)的影響力。在世界極地科考強(qiáng)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(jìn)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(jī)場。我國在建設(shè)可供重型運(yùn)輸機(jī)起降的冰雪跑道核心工程技術(shù)研究方面明顯滯后，不利于維護(hù)南極科學(xué)研究等合理權(quán)益。為適應(yīng)我國南極科學(xué)考察高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求、推動(dòng)極地科學(xué)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)新格局，建議加快部署和實(shí)施南極機(jī)場冰雪跑道工程技術(shù)攻關(guān)工作，自主發(fā)展體系化、成規(guī)模的冰雪機(jī)場技術(shù)框架體系。


(一)機(jī)場選址與建設(shè)的自然環(huán)境條件研究


南極冰雪選址流程，需要預(yù)先對候選地理位置的環(huán)境狀況進(jìn)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(xì)測繪地形地貌，然后測量與評估機(jī)場所在區(qū)域的冰川學(xué)、氣候?qū)W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(xué)考察，中山站附近的相關(guān)資料、環(huán)境特征研究已有一定積累，但缺乏以建設(shè)機(jī)場為目標(biāo)的多學(xué)科交叉性總結(jié)。為此建議，以我國建設(shè)能夠起降重型運(yùn)輸機(jī)的大型冰雪機(jī)場為前提，梳理并借鑒國際上南極機(jī)場建設(shè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，部署針對南極機(jī)場建設(shè)的基礎(chǔ)理論與跨學(xué)科研究，開展選址、建設(shè)、維護(hù)相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備與技術(shù)體系建設(shè)。


(二)壓實(shí)雪層技術(shù)攻關(guān)


根據(jù)我國完成的多次藍(lán)冰區(qū)考察結(jié)果，在中山站附近建設(shè)藍(lán)冰機(jī)場的可能性較低，壓實(shí)雪層跑道事實(shí)上成為我國在南極建設(shè)大型機(jī)場的首選形式。建設(shè)壓實(shí)雪層跑道的核心技術(shù)原理雖已有總結(jié)，但我國尚未全面掌握該項(xiàng)技術(shù)。為此建議，結(jié)合冰雪材料力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)研究進(jìn)展，針對人工降低雪層密度提升雪層強(qiáng)度、多階段施工建造多層 / 復(fù)合高密度雪層等技術(shù)方向開展協(xié)同研究，重點(diǎn)攻克壓實(shí)雪層跑道建設(shè)的核心技術(shù)，發(fā)展雪的人工機(jī)械分解、人工燒結(jié)處理技術(shù)，解決冰雪跑道工程建設(shè)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(gè)自主掌握壓實(shí)雪層跑道建設(shè)技術(shù)體系的極地科考強(qiáng)國。


(三)冰雪跑道施工裝備技術(shù)攻關(guān)


國際競爭與合作格局趨于復(fù)雜，著眼長遠(yuǎn)發(fā)展，我國較多依靠進(jìn)口裝備開展極地科學(xué)考察的局面理應(yīng)發(fā)生改變。與壓實(shí)雪層技術(shù)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(guān)壓實(shí)雪層跑道建設(shè)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(jī)、暖雪機(jī)、附帶灑水及測溫功能的雪地?cái)備仚C(jī)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(xué)研究單位聯(lián)合工程機(jī)械研制企業(yè)，對冰面 / 雪面工程施工技術(shù)裝備進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā);以“產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同方式實(shí)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(shí)、路面施工等核心裝備的方案論證、設(shè)計(jì)研發(fā)、樣機(jī)制造，加速推動(dòng)冰雪機(jī)場工程建設(shè)裝備的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)化、全面國產(chǎn)化。


(四)機(jī)場運(yùn)行指揮監(jiān)測體系設(shè)計(jì)


考慮南極復(fù)雜而嚴(yán)酷的自然地理環(huán)境，在論證大型機(jī)場建設(shè)方案的同時(shí)，應(yīng)及時(shí)測量和評估機(jī)場所在區(qū)域的冰川學(xué)、氣候?qū)W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(fēng)速以及風(fēng)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(yùn)輸機(jī)起降、冰雪機(jī)場穩(wěn)定運(yùn)營的基礎(chǔ)性和技術(shù)性保障條件。為此建議，依托我國南極科考站建設(shè)，開展功能完備的冰雪機(jī)場運(yùn)行監(jiān)測體系設(shè)計(jì)研究，建立極地機(jī)場運(yùn)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(biāo)、冰 / 雪道面工程修繕、道面應(yīng)對環(huán)境(溫度)變化的應(yīng)急處理等開展技術(shù)方案論證，準(zhǔn)確評估機(jī)場區(qū)域的冰川–氣象條件對機(jī)場安全運(yùn)行監(jiān)測體系的影響。


本文來源：中國工程院院刊