近距平行跑道配對離場關(guān)鍵因素研究

田　勇，顏于杰，吳東暉

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京210016）

近距平行跑道配對離場關(guān)鍵因素研究

田勇，顏于杰，吳東暉

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京210016）

相比于目前國內(nèi)近距平行跑道的離場方式，近距平行跑道配對離場能大幅減少飛機的離場時間間隔，從而提高機場的容量.在應(yīng)用近距平行跑道配對離場程序時，需要確定配對機的離場時間間隔與運行該程序的側(cè)風(fēng)條件，其中離場時間間隔分為起始時間間隔和離場航段參考點的最大時間間隔.根據(jù)不同機型的飛行參數(shù)，建立數(shù)學(xué)計算模型，得到配對機的離場時間間隔，并在此基礎(chǔ)上考慮側(cè)風(fēng)對尾流的影響，得出允許應(yīng)用該程序的最大正側(cè)風(fēng)風(fēng)速，結(jié)合風(fēng)向，得到側(cè)風(fēng)條件.以上海虹橋國際機場作為實例，計算得到配對機的初始時間間隔為30 s，在離場航段參考點的最大時間間隔分別為50 s、68 s，最大正側(cè)風(fēng)風(fēng)速為3.3m/s.

航空運輸；近距平行跑道；尾流運動；配對離場；時間間隔；側(cè)風(fēng)條件

近年來，空中交通發(fā)展迅猛，交通流量不斷增長，預(yù)計至 2025年總的空中交通流量會增加70%.在如此迅猛的增長下，許多繁忙機場的容量面臨著巨大的挑戰(zhàn).這些機場開始通過增加平行跑道的數(shù)量來滿足日益增長的流量需求，由于中遠距離的平行跑道相對于近距平行跑道（CloselySpaced Parallel Runway，CSPR）存在占地面積廣和投資成本高的缺陷，因此機場在修建跑道時常選用近距平行跑道.近距平行跑道是指兩條平行跑道中心線間距小于762 m的跑道對.國內(nèi)外對近距平行跑道的研究，目前多集中在進近方面，離場方面的研究則較少，離場作為空中交通的重要組成部分，其潛在應(yīng)用價值是巨大的，近距平行跑道離場理應(yīng)成為相關(guān)學(xué)者研究的重點領(lǐng)域之一.

21世紀以來，國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)對近距平行跑道離場展開了研究.2008年，Milan通過建立解析模型計算了近距平行跑道離場的容量［1］；2009年，Audenaerd等提出了跑道頭存在錯開距離的的近距平行跑道的跑道構(gòu)型能更好地避免后機受前機尾流的影響［2］；2012年Vernon對尾流進行觀察，詳細分析了尾流在不同階段的側(cè)向運動的特點［3］.國內(nèi)方面，2014年，武丁杰對近距平行跑道的容量進行了評估與優(yōu)化［4］；2009年，周彬等通過尾流的保守被動模型對尾流實時仿真，得到了不同側(cè)風(fēng)不同時刻下尾流的狀態(tài)分布等重要特性［5］；2010年，徐肖豪等綜述尾流間隔縮減技術(shù)，并比較和論述了優(yōu)劣［6］.以上研究均集中在容量的評估和飛機尾流的特點上，基本處于近距平行跑道離場的理論研究階段.在實際應(yīng)用方面，國外學(xué)者提出了近距平行跑道配對離場這一思想，配對離場為近距平行跑道一種較新的離場方式，有著較大的應(yīng)用價值. 2008年，Clark R·Lunsford基于規(guī)避前機尾流提出了近距平行跑道配對離場的思想［7］；2010年，Isaac Robeson等基于飛行數(shù)據(jù)建立了一種能增加近距平行跑道離場容量的調(diào)節(jié)器，并通過實驗仿真進行了驗證［8］.國內(nèi)方面，張兆寧于2010年運用數(shù)學(xué)建模的方法分析近距平行跑道配對離場的安全性［9］；2013年，田勇等提出了確定近距平行跑道間隔的方法，為實現(xiàn)近距平行跑道配對離場程序奠定了理論基礎(chǔ)［10］.

本文總結(jié)前人的研究成果，發(fā)現(xiàn)與目前近距平行跑道離場方式相比，配對離場能最大程度地提升跑道的利用率，從而增加機場容量.但就目前而言，近距平行跑道配對離場的使用方法還未有系統(tǒng)的研究和指南.因此本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹近距平行跑道配對離場模式，提出了運行近距平行跑道配對離場程序的三個關(guān)鍵因素，得出了配對前后機的離場時間間隔，在本文得出的離場時間間隔基礎(chǔ)上，以保證配對前機產(chǎn)生的尾流對后機的正常離場不造成影響為目標，對近距平行跑道配對離場程序的最大正側(cè)風(fēng)風(fēng)速進行了分析，最后結(jié)合風(fēng)向得到了允許運行近距平行跑道配對離場程序的側(cè)風(fēng)條件.本文針對提高機場容量提出的策略是近距平行跑道配對離場，所以文中涉及到前后機的概念均是指位于兩條平行跑道上的配對飛機.

1　近距平行跑道配對離場

2004年5月我國公布了《平行跑道同時儀表運行管理規(guī)定》，其中明確規(guī)定當(dāng)兩平行跑道的間距小于760 m時，離場飛機的放行間隔應(yīng)當(dāng)按照一條跑道規(guī)定的放行間隔執(zhí)行.根據(jù)《中國民用航空空中交通管理規(guī)劃》第九節(jié)的規(guī)定，同一跑道前后離場的航空器，應(yīng)配備相應(yīng)的尾流間隔，分為非雷達間隔和雷達間隔.其中非雷達間隔（第43條）規(guī)定：前后起飛離場的航空器若為重型機和中型機、重型機和輕型機、中型機和輕型機時，其單跑道放行間隔不得少于2 min，若前機為A380-800，放行間隔還要增大.對于雷達間隔，同一跑道前后離場的航空器的最小放行間隔值與非雷達間隔的數(shù)值相差不大，具體可以參見《中國民用航空空中交通管理規(guī)劃》第46條規(guī)定.在國際上，也有相似的規(guī)定：當(dāng)使用跑道中心線間距小于7 620 m的平行跑道時，先離場的飛機為重型機和波音757時，要求后離場的飛機必須等待2～3 min.上述規(guī)定是考慮前機產(chǎn)生的尾流可能會對后機正常離場造成影響，按照上述規(guī)定，不論是目視飛行還是儀表飛行，后機必須至少等待2 min，直至前機產(chǎn)生的尾流消散后，方可開始起飛滑跑.這些規(guī)定對于那些當(dāng)前容量趨于飽和的繁忙機場，在提高容量和減少延誤上更是增加了難度.但是，隨著過去30年余年來學(xué)者對飛機尾流的研究，在飛機尾流運動和尾流在近地消散等方面已有了成熟的理論.基于這些理論，在保證配對前機產(chǎn)生的尾流對后機離場不造成影響的前提下，就可以減少前后機的放行間隔，使后機更早地起飛，避免了長時間的等待，提高了跑道和終端區(qū)的資源利用率，這就是近距平行跑道配對離場模式，見圖1.在使用近距平行跑道時，基于配對離場策略，后機可以不需要進行至少2 min左右的等待，而是在前機產(chǎn)生的尾流還未到達后機位置時提前開始起飛滑跑，根據(jù)本文2.1小節(jié)里設(shè)定30 s，減小了配對后機75%左右的等待時間，前后機的放行間隔大幅減少，整個機場在相同時間段內(nèi)有更多的飛機起飛離場，從而有效地改善了機場容量.

機場在運行近距平行跑道配對離場程序時，主要考慮三個關(guān)鍵因素：一是配對離場前后機的離場時間間隔；二是機場能運行配對離場程序的側(cè)風(fēng)條件；三是機場兩平行跑道中心線間距.考慮到在機場確定的情況下，跑道中心線間距是無法改變的，本文將視平行跑道中心線間距為已知參量，并重點分析配對機的離場時間間隔和機場能運行配對離場程序的側(cè)風(fēng)條件以及此二者間的相互影響關(guān)系.

目前我國還未實施近距平行跑道配對離場程序，但也應(yīng)為將來實施該程序做好規(guī)劃，充分保證該程序運行的安全性.在未來的運行中，可以采用區(qū)域?qū)Ш剑≧NAV）指導(dǎo)配對機的飛行，聯(lián)合使用駕駛艙交通信息顯示（CDTI）和廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)（ADS-B）來監(jiān)控配對機的飛行間隔.

圖1　近距平行跑道配對離場

2　離場時間間隔和側(cè)風(fēng)條件的確定

本文研究配對機的離場時間間隔分兩個方面考慮：配對離場前后機的起始時間間隔和離場航段上的時間間隔.其中離場航段上的時間間隔的研究為配對機飛過指定參考點的最大時間間隔，通過得到的最大時間間隔來確定機場允許運行近距平行跑道配對離場程序的最大正側(cè)風(fēng)風(fēng)速，同時側(cè)風(fēng)條件在最大正側(cè)風(fēng)風(fēng)速的基礎(chǔ)上得到確定.

2.1離場時間間隔

2.1.1起始時間間隔

配對離場前后機的起始時間間隔是指飛機各自開始起飛滑跑的時間間隔，為了便于研究和使用近距平行跑道配對離場，在確定起始時間間隔前，應(yīng)對其規(guī)定一個時間起點，本文以前機開始滑跑那一刻作為時間起點.

起始時間間隔的確定，由下述三個方面共同決定：

1）管制員對后機發(fā)放起飛許可時間，取值為6 s.

2）后機接到起飛許可到實際開始滑跑所用時間，現(xiàn)定義為后機的起飛準備時間，取值為18 s.該數(shù)值參考的是國外兩個繁忙機場的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，分別是費城國際機場和西雅圖塔科馬國際機場.該統(tǒng)計數(shù)據(jù)包含了不同的機型：重型、中型、輕型，總計是100次離場.其中后機平均的起飛準備時間約為9 s，98%的飛機所花時間不超過18 s，保守起見，采用后者作為后機的起飛準備時間.

3）不確定因素的安全緩沖時間，取值為6 s.綜合以上三條，將各項的值相加，得到起始時間間隔為30 s.

2.1.2參考點的最大時間間隔

起始時間間隔確定后，考慮到在實際飛行過程中配對機可能存在機型不同的問題，會導(dǎo)致前機過快或過慢.若前機過快，后機相對過慢，讓前機產(chǎn)生的尾流有了更多的時間運動到后機的離場航段上，增大了配對離場的風(fēng)險，因此需要考慮配對離場前后機在離場航段上的時間間隔.由于對整個離場航段上的時間間隔都進行研究是繁瑣且沒有必要的，因此從安全與可行的角度出發(fā)，只研究配對機在離場航段上若干個參考點的時間間隔.

在本文中運行配對離場程序的安全指標是前機產(chǎn)生的尾流不會影響到后機，因此根據(jù)前機尾流的側(cè)移情況來決定如何在配對機的離場航段上設(shè)定參考點.

尾流的側(cè)移根據(jù)是否受地面效應(yīng)影響分為兩種情況［11］：

1）不受地面效應(yīng)影響，此時飛機距離地面高度大于一個翼展，尾渦在自身和側(cè)風(fēng)的作用下側(cè)向傳播.如在穩(wěn)定的大氣條件下，尾渦的中心間距將基本保持不變，尾渦近似沒有側(cè)移.

2）受地面效應(yīng)影響，此時尾渦高度小于地面一個翼展的長度，當(dāng)尾渦距離地面高度小于半個翼展長度時，尾渦會與地面相互作用而迅速分離.而當(dāng)尾渦距離地面高度大于翼展長的一半時，兩股尾渦流之間以及與地面相互作用導(dǎo)致了它們分離并阻礙它們正常的下降，尾渦就以2～3 m/s的速度向兩側(cè)移動.

基于上述的尾流運動情況，決定在配對機的離場航段上設(shè)定兩個參考點，其中一個考慮尾流受地面效應(yīng)影響，另一個則考慮尾流不受地面效應(yīng)影響.將考慮尾流受地面效應(yīng)影響的參考點定為參考點1，并將該參考點的位置設(shè)在前機開始產(chǎn)生尾渦流的地方.飛機一般是在抬前輪后開始產(chǎn)生尾渦流，由于不同機型從開始滑跑到抬前輪所需要的距離是不一樣的，本文考慮前機為重型機時最晚抬前輪需要的距離約為2 408 m［12］，即參考點1位于離飛機開始滑跑2 408 m處.而將考慮尾流不受地面效應(yīng)的參考點定為參考點2，并將該參考點的位置設(shè)在配對機的離場航跡可能仍然平行的最遠點，當(dāng)配對機的離場路線不再平行時，意味著至少有一臺飛機向外轉(zhuǎn)彎，這會導(dǎo)致配對機間的側(cè)向距離迅速增大，此時尾流的運動就無法與之相比了，最遠點一般距離飛機滑跑點大約5 556 m［13］，即參考點2位于離飛機開始滑跑5 556 m處.

圖2　前機到達參考點1

圖3　后機到達參考點1

現(xiàn)以配對機飛過參考點1為例來說明離場航段參考點的時間間隔.如圖2所示，飛機在離場航段上飛行時會存在時刻t1：前機到達參考點1，后機在自身航段飛行但還未到達參考點1.經(jīng)過時間Δt，到達時刻t2：前機已飛過參考點1，后機到達參考點1，見圖3.Δt就是本文所說的配對機在離場航段參考點的時間間隔.

為了保證后機不受前機尾流影響并得到最大的正側(cè)風(fēng)風(fēng)速，需要計算出配對機在離場航段上兩個參考點的最大時間間隔.因此在選用飛行數(shù)據(jù)時會選擇前機到達參考點的最短時間，后機到達參考點的最長時間，這樣前機能最快到達參考點，后機最慢到達參考點，得到兩機在參考點的最大時間間隔.在計算最大時間間隔時，本文采用的飛行數(shù)據(jù)來自于由歐洲民航控制中心維持的數(shù)據(jù)庫Base of Aircraft Date（BADA），所用數(shù)據(jù)包含了82種飛機，分為重型、中型、輕型三種機型，較為全面地反映了不同機型的飛行時間.鑒于第1節(jié)里分析的前后機放行間隔，前機考慮的機型為重型機，后機對機型則沒有要求.不同機型到達參考點1的時間見表1；到達參考點2的時間見表2.

表1　不同機型到達參考點1的時間

表2　不同機型到達參考點2的時間

前后機通過參考點的最大時間間隔T為：

其中：T1為后機到達參考點的最長時間；T2為前機到達參考點的最短時間；T0為配對離場前后機的起始時間間隔.

飛機在配對離場時，造成前后機離場時間間隔變動的因素不止配對機飛行速度上的差異，盡可能考慮多的影響因素以便得到更為精確的最大時間間隔.當(dāng)兩平行跑道存在跑道頭錯開距離時，會對前后機的最大時間間隔造成影響，此時應(yīng)對最大時間間隔進行修正，例如前機所在跑道相對后機所在跑道向前錯開300 m的間距時，后機需要大約每多90 m就加上1 s的時間間隔，300 m的錯開間距就需要后機大約加上3.3 s的時間間隔.另外，考慮航空器的翼展和在側(cè)向位置上存在的定位誤差，會再加上一個6 s左右的安全緩沖時間間隔.

2.2側(cè)風(fēng)條件

機場能否運行近距平行跑道配對離場程序，主要取決于側(cè)風(fēng)條件.側(cè)風(fēng)條件包括：側(cè)風(fēng)風(fēng)速與風(fēng)向.本文在確定側(cè)風(fēng)條件時，以前機產(chǎn)生的尾流不影響后機正常離場為目標，即在前機尾流產(chǎn)生的初期，尾流短時間內(nèi)還未能移動到后機的離場航段上，無法影響后機.根據(jù)2.1.2小節(jié)中的分析，分別考慮尾流的側(cè)移受或不受地面效應(yīng)影響時，尾流在參考點1、2的最大側(cè)移距離D1、D2為：

以上三式中：b0為前機產(chǎn)生尾流的起始渦距；w1、w2為參考點1、2的正側(cè)風(fēng)風(fēng)速；v1、v2為參考點1、2無側(cè)風(fēng)影響下的尾流側(cè)移速度；t1、t2為前后機在參考點1、2的最大時間間隔；b為前機翼展長度.

若要使后機安全離場，則D1、D2應(yīng)滿足：

其中：D為近距平行跑道中心線間距.

依據(jù)式（1）～（6）可以得出最大正側(cè)風(fēng)風(fēng)速.

側(cè)風(fēng)條件會以正側(cè)風(fēng)風(fēng)速為基礎(chǔ)得到，側(cè)風(fēng)條件與正側(cè)風(fēng)的關(guān)系見圖4.

圖4　側(cè)風(fēng)示意圖

由勾股定理可以得出側(cè)風(fēng)風(fēng)速的計算公式為：

其中：w為側(cè)風(fēng)風(fēng)速；w0為正側(cè)風(fēng)風(fēng)速；α為側(cè)風(fēng)與后機航向道的夾角，即風(fēng)向.w0取最大值時，得出能運行近距平行跑道配對離場程序的側(cè)風(fēng)條件.本文得出的側(cè)風(fēng)條件僅針對于近距平行跑道配對離場程序，運行近距平行跑道配對離場程序還需同時滿足機場規(guī)定的最低天氣標準.

3　實例分析

上海虹橋國際機場，是我國目前最大的國際航空港之一，現(xiàn)有兩條平行跑道，跑道中心線間距D 為365 m，跑道號為18L/36R、18R/36L，長度分別為3 400m與3 299m，跑道頭的錯開距離C為100 m，其中北面方向的跑道頭是對齊的.選取前機為重型機B747-400，其翼展b為64.4 m.若采用近距平行跑道配對離場模式，前后機的起始時間間隔T0為30 s，基于本文2.1節(jié)的分析，參考表1、2的數(shù)據(jù)，依據(jù)式（1），同時考慮跑道頭錯開距離和安全緩沖時間得出配對離場前后機在通過參考點1、2的最大時間間隔為50 s和68 s.將其分別代入式（2）和式（3），并結(jié)合式（4）～（6）計算可得w1約為3.3 m/s，w2約為3.9 m/s.取兩者中較小值作為正側(cè)風(fēng)風(fēng)速的最大值，即w0max=3.3 m/s.最大側(cè)風(fēng)風(fēng)速的值由α和w0max決定，例如當(dāng)α=30°時，由式（7）得出最大側(cè)風(fēng)風(fēng)速為6.6 m/s，即此時能夠采用近距平行跑道配對離場模式的側(cè)風(fēng)風(fēng)速不能大于6.6 m/s.

近距平行跑道配對離場程序的側(cè)風(fēng)條件與跑道中心線間距、跑道頭錯開距離、前機機型等因素有直接聯(lián)系，對于不同的給定條件可以依據(jù)以上計算方式得出能夠運行近距平行跑道配對離場程序的側(cè)風(fēng)條件.

4　結(jié)語

本文首先系統(tǒng)地介紹了近距平行跑道配對離場模式，總結(jié)了機場運行近距平行跑道配對離場程序的三個最關(guān)鍵因素.參考相關(guān)數(shù)據(jù)，將前后機的起始時間間隔設(shè)定為30 s.隨后考慮到配對機離場時間間隔的變動，基于尾流的地面效應(yīng)，在配對機離場航段上設(shè)置了兩個參考點，為得到最大正側(cè)風(fēng)風(fēng)速，分析了配對機在兩個參考點的最大時間間隔.以前機產(chǎn)生的尾流不影響后機的正常離場為安全目標，確定了機場能夠運行近距平行跑道配對離場程序的側(cè)風(fēng)條件.以上海虹橋國際機場為例，得出配對機在兩參考點的最大時間間隔分別為50 s 和68 s，最大正側(cè)風(fēng)風(fēng)速為3.3 m/s.

近距平行跑道將會是中國大中型機場的重要組成部分之一，采用近距平行跑道配對離場模式能更好地利用跑道.本文主要研究了該模式在實際運行時需要考慮的最關(guān)鍵因素，為未來實際運行近距平行跑道配對離場程序提供了理論基礎(chǔ)，對提高機場容量具有重要的指導(dǎo)意義.

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Research on key factors of pairing departures from closely spaced parallel runways

TIAN Yong，YAN Yu-jie，WU Dong-hui
（School of Civil Aviation，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Comparing with currently domestic way of departure from closely spaced parallel runways，paired departures from closely spaced parallel runways significantly reduce the time interval between leading aircraft and training aircraft，thus improving the capacity of airport. The time interval and the crosswind conditions should be determined when implementing paired departures from closely spaced parallel runways.The time interval needs to consider the initial time interval and the time allowed at reference of departure segment.The time interval was put out based on aircraft type parameters and mathematicalmode，and considering the impact of crosswind to wake，the allowable adverse crosswind velocity of pairing departures from closely spaced parallel runways can beworked out，combined with the direction of the wind，crosswind conditionswas obtained.with a example of Shanghai Hongqiao International Airport，the initial time interval was 30 s，the time allowed at reference of departure segmentwas 50s and 68s，and the allowable adverse crosswind velocity was 3.3m/s.

air transportation；closely spaced parallel runways；vortex movement；paired departures；time interval；crosswind conditions

V351

A

1672-0946（2016）02-0246-05

2015-07-08.

田勇（1976-），男，博士，副教授，研究方向：空中交通管理.