環(huán)形跑道大膽腦洞令人心動(dòng)

王子

荷蘭研究員亨克·赫賽連克提出的現(xiàn)代環(huán)形跑道設(shè)計(jì)構(gòu)想，得到了歐盟第七框架委員會(huì)的資助，荷蘭國(guó)家航空航天實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)，與德國(guó)、法國(guó)、西班牙及波蘭等國(guó)的相關(guān)機(jī)構(gòu)合作，利用現(xiàn)代航空理論與技術(shù)，對(duì)該構(gòu)想進(jìn)行了詳細(xì)的科學(xué)分析。

環(huán)形跑道怎么飛？

把飛機(jī)跑道修成環(huán)形，赫賽連克并不是第一個(gè)提出這個(gè)聽(tīng)上去異想天開(kāi)設(shè)計(jì)的人。早在1919年，美國(guó)《大眾科學(xué)》雜志中就有文提議，在摩天大樓密集的城市上空，以樓頂為支點(diǎn)，修建環(huán)形跑道，方便商務(wù)人士駕駛自己的私人飛機(jī)直達(dá)辦公室。在1960年1月10日的亞瑟-拉德博的周日漫畫(huà)上，一副題為“環(huán)形跑道”的漫畫(huà)出現(xiàn)在“CLOSER THAN WETHINK”（比我們想象的更近）系列中，不過(guò)與自主起降的理念不同，漫畫(huà)中表現(xiàn)的飛行器在跑道上被“火箭動(dòng)力單元”牽引，靠離心力“甩”出去。1965年，美國(guó)海軍也進(jìn)行了環(huán)形跑道的探索，不過(guò)他們并沒(méi)有使用漫畫(huà)中的“火箭動(dòng)力單元”。

這個(gè)第一條進(jìn)行了飛機(jī)起降實(shí)測(cè)的環(huán)形跑道，道面傾角15°，以抵消飛機(jī)滑跑時(shí)的離心力?！都~約時(shí)報(bào)》曾報(bào)道，美國(guó)海軍在環(huán)形跑道上進(jìn)行了試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)起降“非常容易”。但由于當(dāng)時(shí)航空業(yè)發(fā)展已經(jīng)初具規(guī)模，直線跑道成為主流，因此美海軍的環(huán)形跑道最終只是停留在了試驗(yàn)階段。

一百年過(guò)去了，當(dāng)年的種種設(shè)想最終沒(méi)有變成現(xiàn)實(shí)，但是對(duì)環(huán)形機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)的嘗試與探索，卻沒(méi)有因?yàn)闀r(shí)間的流逝而消亡。時(shí)至今天，環(huán)形跑道概念又一次被提出，提起人赫賽連克最初的目的是為了解決飛機(jī)在側(cè)風(fēng)環(huán)境下起降困難的問(wèn)題，飛機(jī)在環(huán)形跑道起降可以不受風(fēng)向的制約，如果有一條足夠長(zhǎng)的大圓跑道，通過(guò)高效的管理手段，甚至可以提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率。理想都是美好的，但現(xiàn)實(shí)中，赫賽連克和整個(gè)團(tuán)隊(duì)是怎么做的，環(huán)形跑道概念又會(huì)遇到多少困難呢？

飛行員和空管的討論

進(jìn)行現(xiàn)代環(huán)形跑道設(shè)計(jì)，至少需要對(duì)以下3方面進(jìn)行詳細(xì)深入的研究：飛機(jī)起降可行性與安全性、基建規(guī)劃、空中交通管制方案。事實(shí)上，赫賽連克團(tuán)隊(duì)也是從這3個(gè)方面開(kāi)始評(píng)估的。其中，起降性能和規(guī)劃都是地面工作，其所面臨的第一個(gè)問(wèn)題是，環(huán)形跑道建多大？

赫賽連克團(tuán)隊(duì)給出的數(shù)據(jù)是：直徑3.5千米，跑道全長(zhǎng)10千米。這是一個(gè)經(jīng)過(guò)計(jì)算分析后的數(shù)值，3.5千米的半徑配合10°的道面傾角，客機(jī)起飛時(shí)300千米/小時(shí)的時(shí)速，會(huì)將乘客所能感受到的離心力降到一個(gè)相對(duì)舒適的程度。周長(zhǎng)接近3條傳統(tǒng)跑道的長(zhǎng)度，但具備在任何一點(diǎn)著陸的能力，以及擁有4條跑道的運(yùn)行容量。

這的確是個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)。在跑道基建方面，修建什么樣的跑道已經(jīng)不是問(wèn)題，環(huán)形跑道真正的問(wèn)題在于，飛行員怎么飛？空管如何指揮？

我們與幾位軍民航飛行員進(jìn)行了討論，對(duì)于環(huán)形跑道，飛行員們的第一反應(yīng)是，降落階段，會(huì)顯著增加操縱難度。在傳統(tǒng)直線跑道降落，飛行員首先需要做到的是一對(duì)正跑道，即便是在側(cè)風(fēng)條件下，通過(guò)航面補(bǔ)償，可以很大程度抵消側(cè)風(fēng)對(duì)航向的影響。但要對(duì)正環(huán)形跑道降落，飛機(jī)接地范圍從一條線變成了一個(gè)點(diǎn)——下滑航線與圓周跑道的切點(diǎn)。即使使用弧形下滑線，即戰(zhàn)斗機(jī)飛行員常用的短五邊大坡度降落方式，在直線跑道降落后，飛行員不需要做太多修正滑行姿態(tài)的操縱，但在環(huán)形跑道上，飛行員還需要在滑行時(shí)對(duì)飛機(jī)姿態(tài)進(jìn)行修正，特別是在不同速度時(shí)，離心力不同，操縱量大小不同，各種機(jī)型也會(huì)有不同的操縱差異。

如果在環(huán)形跑道起降時(shí)產(chǎn)生不同離心力的作用，可以通過(guò)優(yōu)化跑道寬度、坡度和曲率等設(shè)計(jì)手段解決，那么，下面這個(gè)問(wèn)題恐怕就有點(diǎn)棘手了。

傾斜的機(jī)身會(huì)降低機(jī)翼有效升力。這是一個(gè)客觀存在的問(wèn)題，而且飛機(jī)個(gè)頭越大，在傾斜跑道起飛時(shí)損失的升力就越大。升力損失后，問(wèn)題接踵而至，如果說(shuō)增加正常情況下跑道的使用長(zhǎng)度還不是個(gè)大問(wèn)題，那么對(duì)于747、A380這類重型機(jī)需要復(fù)飛時(shí)，因升力損失導(dǎo)致所需跑道長(zhǎng)度大幅度延長(zhǎng)，如何在離心力上下突變的環(huán)境中操縱飛機(jī)，如何管理跑道，這些都是百年航空發(fā)展中未曾考慮過(guò)的問(wèn)題。

赫賽連克關(guān)于環(huán)形跑道構(gòu)想的提出是為了改善側(cè)風(fēng)環(huán)境下飛行員的操縱難度，但幾位參與討論的飛行員們提出了一個(gè)與初衷相悖的疑問(wèn)：現(xiàn)代飛行器的性能，在小于15節(jié)（1節(jié)=1.852千米/小時(shí)）正側(cè)風(fēng)條件下降落基本沒(méi)有難度，若遇二三十節(jié)的強(qiáng)風(fēng)天，即便是平行風(fēng)向降落，也具有一定難度，強(qiáng)風(fēng)天里存在風(fēng)切變的風(fēng)險(xiǎn)。若在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境中在帶坡度的環(huán)形跑道降落，可能還不如在直線跑道上，一心應(yīng)對(duì)側(cè)風(fēng)帶來(lái)的困難，可能要比一邊應(yīng)對(duì)強(qiáng)風(fēng)，一邊帶坡度降落安全的多。

飛行員們還提出了一個(gè)問(wèn)題——單發(fā)失效的處置。在環(huán)形跑道起飛時(shí)，垂直尾翼很大程度上是在糾正飛機(jī)的偏航，使機(jī)頭始終沿著跑道中線，如果此時(shí)外環(huán)一側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)失效，推力失衡，垂尾很難再應(yīng)對(duì)“離心力+不平衡推力”帶來(lái)的偏航效應(yīng)，飛機(jī)瞬間甩出跑道的可能性很大。同樣，環(huán)形跑道也會(huì)對(duì)單發(fā)失效飛機(jī)的降落帶來(lái)比較大的操縱風(fēng)險(xiǎn)，其原理與起飛時(shí)單發(fā)失效類似。解決或緩解這個(gè)問(wèn)題的辦法也有，增大垂尾，增加糾正偏航的效率。

對(duì)飛行員來(lái)說(shuō)，在環(huán)形跑道起降，還有一個(gè)與上述情況相比較小的問(wèn)題——學(xué)習(xí)、訓(xùn)練的成本增加了。因?yàn)樵诃h(huán)形跑道降落，事實(shí)上并不是在一條直線下滑道上進(jìn)近，接觸跑道后再沿曲線跑道滑行，而是整個(gè)下滑航線都是一條曲線，這種帶坡度、帶曲率的進(jìn)近飛行，在目前飛行員的培訓(xùn)中并不是常規(guī)內(nèi)容。因此，若使用環(huán)形跑道起降，需要對(duì)飛行教材這類最基礎(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改，增加訓(xùn)練時(shí)間。如此一來(lái)，可能會(huì)對(duì)飛行員的培養(yǎng)造成較大影響。

以上，基本就是環(huán)形跑道對(duì)飛行員層面的主要影響，總結(jié)來(lái)說(shuō)，增加了起降難度，增加了飛行員培養(yǎng)成本。并沒(méi)有本質(zhì)上解決或緩解因側(cè)風(fēng)著陸帶來(lái)的安全問(wèn)題。

環(huán)形跑道的空中交通管制，“這是一個(gè)比飛行員能否平穩(wěn)起降更困難的問(wèn)題?！币晃幻窈焦苤茊T說(shuō)。相比將幾十架飛機(jī)排成一隊(duì)依次降落，在環(huán)形跑道降落航線上排隊(duì)等待的飛機(jī)，可以想象成拉鏈上的鏈齒，空管需要將兩隊(duì)或者多隊(duì)飛機(jī)準(zhǔn)確排列，才能保證他們?cè)诮德鋾r(shí)不會(huì)相撞。

目前的空中管制席位，大致分為放行、地面、塔臺(tái)、區(qū)調(diào)等幾個(gè)，其中塔臺(tái)席位負(fù)責(zé)飛機(jī)對(duì)特定跑道使用的情況，包括從進(jìn)近到著陸，最終脫離跑道，和何時(shí)進(jìn)入跑道，起飛后到一定高度。如果使用環(huán)形跑道，如何劃定管制員對(duì)相應(yīng)長(zhǎng)度的跑道的管理權(quán)，將是一個(gè)新問(wèn)題。

對(duì)此，赫賽連克團(tuán)隊(duì)給出了解決方案，即一個(gè)塔臺(tái)席位管理從一個(gè)方向區(qū)域飛來(lái)，并在一定范圍內(nèi)落地的飛機(jī)。例如，有3架飛機(jī)分別從東北、正北和西北方向飛來(lái)，它們可以直接使用22/18/31三個(gè)方向的接地段降落，并在降落前由同一位塔臺(tái)管制員調(diào)配指揮。

然而，這就出現(xiàn)了另一個(gè)問(wèn)題，東北和西北方向飛來(lái)的飛機(jī)，兩者夾角90°，雖然減少了空域使用，但三者當(dāng)中必有兩架不能在平行風(fēng)向環(huán)境中降落，有悖設(shè)計(jì)初衷。

從機(jī)場(chǎng)終端空中管制角度看，如果對(duì)每一架飛機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)位置管理，的確可以增加機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率，減少飛機(jī)在空中排隊(duì)、對(duì)正跑道的時(shí)間消耗，但有一點(diǎn)是赫賽連克團(tuán)隊(duì)沒(méi)有考慮透徹，沒(méi)有給出解決方案的——效率安全比。

環(huán)形跑道的設(shè)計(jì)初衷是，避免側(cè)風(fēng)對(duì)飛機(jī)起降的影響，提升跑道利用效率。如果不出任何問(wèn)題，環(huán)形跑道可能的確有用。但現(xiàn)實(shí)中，機(jī)場(chǎng)在運(yùn)行時(shí)不可能不會(huì)出現(xiàn)任何意外。以目前國(guó)際樞紐機(jī)場(chǎng)普遍采用至少3條跑道為情景推測(cè)，當(dāng)一架飛機(jī)因故降落后長(zhǎng)時(shí)間占用跑道，此時(shí)還有兩條跑道可用。若環(huán)形跑道的某一段被占用，則意味著合適的風(fēng)向下，機(jī)場(chǎng)只有一條（一段?。┡艿揽梢越德洌炊鴷?huì)大大降低跑道使用效率。若像是上海浦東、巴黎戴高樂(lè)、紐約肯尼迪、洛杉磯、芝加哥奧黑這類擁有4條或更多跑道的機(jī)場(chǎng)，因特情占用1條跑道時(shí)，對(duì)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率的影響將會(huì)更小。

對(duì)空管來(lái)說(shuō)，環(huán)形跑道的管理還有一個(gè)潛在問(wèn)題——跑道入侵，當(dāng)然這也是一個(gè)從理論角度上可以避免的問(wèn)題，但現(xiàn)實(shí)不是理論，更多的跑道聯(lián)絡(luò)道口肯定會(huì)增加跑道入侵的風(fēng)險(xiǎn)。加之跑道成弧線，滑行道在跑道內(nèi)側(cè)，滑行道上的飛機(jī)可能會(huì)對(duì)遠(yuǎn)處跑道上其他尚未脫離的飛機(jī)造成遮擋，這也會(huì)大大增加飛行事故隱患。

復(fù)飛這類經(jīng)常出現(xiàn)的情況，對(duì)管制員來(lái)說(shuō)，在環(huán)形跑道上指揮也有風(fēng)險(xiǎn)。復(fù)飛屬于突發(fā)操作，可能出現(xiàn)在降落的任何階段，在環(huán)形跑道運(yùn)行時(shí)，假設(shè)接地點(diǎn)可以標(biāo)定，但復(fù)飛時(shí)的飛機(jī)航向卻在一個(gè)很大的范圍，幾乎屬于不可預(yù)測(cè)。在傳統(tǒng)跑道降落時(shí)，空管單位有一套標(biāo)準(zhǔn)復(fù)飛程序，航向多少，上高度多少，在哪里轉(zhuǎn)彎盤(pán)旋重新加入三邊。但在環(huán)形跑道上，復(fù)飛程序肯定比現(xiàn)在的更加復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)性更差，安全性更低。

還有一個(gè)需要重新規(guī)劃設(shè)計(jì)的是——機(jī)場(chǎng)之外的導(dǎo)航臺(tái)，跑道延長(zhǎng)線上有一個(gè)位置叫做“起始進(jìn)近點(diǎn)”，進(jìn)近時(shí)的飛機(jī)需要從該點(diǎn)上空飛過(guò)，開(kāi)始按程序著陸，如果使用環(huán)形跑道，是否需要在機(jī)場(chǎng)之外每一個(gè)方向架設(shè)一個(gè)導(dǎo)航點(diǎn)？或者通過(guò)新技術(shù)減少或取消起始進(jìn)近點(diǎn)？這對(duì)空管設(shè)備技術(shù)革新可能并不算一個(gè)太大的困難，但是，改變飛行員的進(jìn)近方式，每次在環(huán)形跑道降落，都使用不同方向的著陸點(diǎn)，對(duì)飛行員來(lái)說(shuō)可能是個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

作為空中管制員，環(huán)形跑道的概念可能真的會(huì)對(duì)空中管制工作帶來(lái)不小的挑戰(zhàn)，特別是對(duì)用于大型樞紐機(jī)場(chǎng)的環(huán)形跑道，管制員需要應(yīng)對(duì)從各個(gè)方向飛來(lái)、向各個(gè)方向起飛的飛機(jī)，還有在各個(gè)方向上可能出現(xiàn)的復(fù)飛或其他特情，赫賽連克團(tuán)隊(duì)沒(méi)有在報(bào)告中對(duì)這些情況給出完美的解決方案。

是落后還是超前？

那么環(huán)形跑道真的沒(méi)什么優(yōu)點(diǎn)嗎？當(dāng)然不是。赫賽連克設(shè)計(jì)環(huán)形跑道的初衷是為了降低大側(cè)風(fēng)對(duì)飛行安全的影響，靜風(fēng)環(huán)境下簡(jiǎn)化進(jìn)近方式，減少飛機(jī)在機(jī)場(chǎng)上空盤(pán)旋等待的時(shí)間，讓飛行終端變得更加綠色一點(diǎn)。

尤其值得一提的是，環(huán)形跑道機(jī)場(chǎng)的設(shè)計(jì)可以大幅度提高對(duì)土地的利用效率。赫賽連克團(tuán)隊(duì)給出了方案，在環(huán)形跑道內(nèi)修建候機(jī)樓，與現(xiàn)在很多機(jī)場(chǎng)相比，飛機(jī)滑行時(shí)間可減少40%或更多。在墊高一側(cè)的跑道下方修建停車(chē)場(chǎng)或機(jī)場(chǎng)酒店等配套設(shè)施，都是對(duì)空間的極大利用。

在整個(gè)項(xiàng)目的研究過(guò)程中，赫賽連克團(tuán)隊(duì)的環(huán)形跑道項(xiàng)目得到了荷蘭航空航天中心的資金等多方面支持，截止2017年3月20日——項(xiàng)目官網(wǎng)最后的更新日期，赫賽連克團(tuán)隊(duì)給出了包括項(xiàng)目背景、概念說(shuō)明、機(jī)場(chǎng)技術(shù)設(shè)施、飛機(jī)設(shè)計(jì)、空中管制等多方面的報(bào)告文件，并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了數(shù)字建模和分析，之后還對(duì)環(huán)形跑道項(xiàng)目未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望，探討了發(fā)展的可行性。

赫賽連克團(tuán)隊(duì)給出了猶如博士論文般的詳細(xì)論證方案，著實(shí)令人敬佩。但遺憾的是，他的很多設(shè)想是建立在飛行員能力、飛行器性能和空管效率更優(yōu)的前提之上，以目前人類所使用的航空技術(shù)，環(huán)形跑道的設(shè)想可能還無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

上述諸多對(duì)赫賽連克團(tuán)隊(duì)環(huán)形跑道概念中缺陷的質(zhì)疑，可能來(lái)自我們的鼠目之光，因?yàn)槲覀儧](méi)有大膽的向前看，沒(méi)有嘗試努力去解決提出來(lái)的問(wèn)題。對(duì)此，赫賽連克對(duì)媒體表示，他并不想被人們認(rèn)為僅僅是一個(gè)思考者，他說(shuō)：“即使不能以我構(gòu)想的方式使環(huán)形跑道成為現(xiàn)實(shí)，但我真的希望，在對(duì)環(huán)形跑道項(xiàng)目的研究中，某些想法或思路可以改變我們對(duì)飛機(jī)起降的看法，或者提出優(yōu)化機(jī)場(chǎng)或產(chǎn)能的方式?！?/p>

赫賽連克知道自己有點(diǎn)兒在孤軍奮戰(zhàn)，因?yàn)橛刑嗵岢鲑|(zhì)疑的聲音，但他也看到了另一條路。如果不能改造現(xiàn)有的機(jī)場(chǎng)，為什么不用這種方式在中小城市從固定翼無(wú)人機(jī)開(kāi)始嘗試呢，無(wú)人機(jī)快遞是一個(gè)有前景的行業(yè)。他甚至不需要一個(gè)完整的圓，用1/4圓弧，就可以開(kāi)始嘗試了。

有時(shí)候我們說(shuō)一個(gè)人，提出人們無(wú)法理解的想法時(shí)，是異想天開(kāi)，脫離實(shí)際，但還有一種說(shuō)法——他們來(lái)自未來(lái)。赫賽連克的環(huán)形跑道構(gòu)想，到底是脫離實(shí)際，還是來(lái)自未來(lái)？這個(gè)構(gòu)想將怎樣影響航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)在令人期待。

責(zé)任編輯：陳肖