我國近距平行跑道運(yùn)行優(yōu)化研究

何德暘

摘要：隨著我國民航運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，航空公司機(jī)隊(duì)規(guī)模的不斷增加，國內(nèi)的機(jī)場變得越來越繁忙，無法容納更多飛機(jī)的起降，其容量已達(dá)到了飽和狀態(tài)，許多機(jī)場開始建設(shè)近距平行跑道提升跑道的容量。但是，當(dāng)前我國現(xiàn)行的尾流標(biāo)準(zhǔn)主要是按照航空器的最大起飛重量進(jìn)行航空器分類然后給出不同類別下的間隔標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)無法滿足機(jī)隊(duì)規(guī)模增加的需要。因此，歐洲和美國都提出了航空器重新分類（RECAT）的概念，并在一些機(jī)場試行。該方案是將航空器重新分類，通過縮小前后航空器之間的尾流間隔，提升航空器的進(jìn)離場架次，提升跑道容量，達(dá)到機(jī)場運(yùn)行優(yōu)化的目的。

Abstract： With the rapid development of China's civil aviation and increasing fleet of airline， the domestic airport has become so busy that cannot accommodate more aircraft taking off and landing， which capacity has in saturation state. Many airports have begun to build closely-spaced parallel to enhance the runway capacity. However， the current wake turbulence separation standard is mainly according to the maximum take-off weight of aircraft to classify the aircraft and the standard cannot meet the demand of increasing fleet of airline. The United States and Europe have proposed the concept of re-categorization（RECAT） and conducted in some airports. The project reclassifies the aircraft， and optimizes the airport operation by reducing the wake interval between aircraft before and after， improving the aircraft's departure and arrival times， and increasing the runway capacity.

關(guān)鍵詞：機(jī)型分類;跑道容量;尾流間隔;運(yùn)行優(yōu)化

Key words： aircraft classification;runway capacity;wake turbulence separation;operation optimization

中圖分類號(hào)：V351.11? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）16-0030-03

0? 引言

近距平行跑道已經(jīng)在我國的許多機(jī)場投入運(yùn)行，但是對(duì)民航運(yùn)輸發(fā)展貢獻(xiàn)度不高，其運(yùn)行模式仍主要是隔離運(yùn)行模式，跑道的起飛和著陸間隔之間的尾流標(biāo)準(zhǔn)卻仍然是單跑道的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，根本無法完全達(dá)到使用進(jìn)近平行跑道能夠增加容量，提升機(jī)場的運(yùn)行效率。例如，虹橋機(jī)場雖然已經(jīng)建成了近距的平行跑道，但并沒有采用近距跑道的運(yùn)行模式;而重慶機(jī)場，由于對(duì)運(yùn)行模式的不確定性，導(dǎo)致兩條近距跑道容量甚至達(dá)不到單跑道的容量[1]。這也帶來了資源的浪費(fèi)，航班延誤，機(jī)場運(yùn)行效率降低，管制員負(fù)荷增加。

近距平行跑道（Closely Spaced Parallel Runways， CSPR），又稱窄距平行跑道，是指兩條平行跑道中心線間距不大于2500ft（約762m）的跑道對(duì)[2]。與單跑道和獨(dú)立運(yùn)行遠(yuǎn)距平行跑道相比，具有投資小，占地少，成本低等特點(diǎn)，逐漸被廣泛采用。上海虹橋機(jī)場是我國最先使用近距平行跑道的機(jī)場，運(yùn)行方式是一條主要用于起飛，另一條主用于降落，隔離平行運(yùn)行模式，無法滿足日益増長的航班起降量，且近距平行跑道就不能發(fā)揮運(yùn)行優(yōu)勢和最大的經(jīng)濟(jì)效益。

決定雙跑道機(jī)場容量的因素之一是飛機(jī)之間前后的最小間隔，而間隔標(biāo)準(zhǔn)則受到空中交通管員的監(jiān)視能力和尾流間隔。隨著航空器重新分類（RECAT）在美國和歐洲的逐步推廣和應(yīng)用，已逐漸成為未來空管的重要發(fā)展方向之一。面對(duì)我國大型機(jī)場推廣近距平行跑道的建設(shè)，卻仍然面對(duì)容量提升所帶來的壓力，開展RECAT技術(shù)的研究，進(jìn)而得到不同分類組合下的間隔標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)航空器進(jìn)行重新分類，縮減前后機(jī)的尾流間隔，能夠進(jìn)一步提升跑道容量，降低管制員工作負(fù)荷，優(yōu)化機(jī)場運(yùn)行效率。

目前RECAT技術(shù)在國外正在開始進(jìn)行試運(yùn)行，相關(guān)的文獻(xiàn)資料主要單純的集中在對(duì)RECAT本身的研究，如何縮短尾流動(dòng)態(tài)縮減和歐美的間隔標(biāo)準(zhǔn)差異研究。如Proctor等解釋了尾流消散進(jìn)程不確定性以及開創(chuàng)了尾流的消散模型，解釋了其消失現(xiàn)象。徐蕭豪等提基于滾動(dòng)比例的概念下飛機(jī)尾流問題的研究。王鳳婷，以軍用航空器為分析對(duì)象，研究基于軍隊(duì)航空器尾流性質(zhì)的試驗(yàn)結(jié)果。而于雙跑道容量評(píng)估來說，仍是利用舊的尾流間隔進(jìn)行機(jī)場的容量評(píng)估。本文將RECAT技術(shù)和近距平行跑道結(jié)合，利用新的航空器分類和尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)建立容量模型，進(jìn)行評(píng)估。

1? 基于RECAT技術(shù)航空器重新分類

1.1 我國現(xiàn)行航空分類

由于固定翼飛機(jī)翼尖擾亂空氣流動(dòng)形成尾流，前面飛機(jī)在滑跑、飛行和降落時(shí)，后機(jī)很容易受到前機(jī)尾流的干擾，特別是在進(jìn)近階段，引起滾動(dòng)。隨著空客A380的使用，會(huì)制造更大的尾流，導(dǎo)致繁忙機(jī)場的流量受到這種超大民用航空運(yùn)輸機(jī)的影響，需要重新設(shè)計(jì)新的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)[3]來滿足復(fù)雜的航空器類型。

目前的航空器分類都是通過最大起飛重量，劃分為重、中、輕三個(gè)級(jí)別[4]。如表1所示，但該分類標(biāo)準(zhǔn)過于保守，存在縮減尾流間隔的潛力。

1.2 RECAT重新分類

歐盟于2007年提出了RECAT飛機(jī)重新分類的概念，即航空器不再根據(jù)最大起飛重量作為其分類標(biāo)準(zhǔn)，而是將航空器的速度、展弦比、重量等全方位考慮，重新計(jì)算每個(gè)類別組合下的安全間隔，重新劃分為六種類型[5]。2011年ICAO的第十二次空中航行會(huì)議中，提出RECAT研究分為三個(gè)階段。

第一階段：將航空器重新分成六個(gè)類型，以達(dá)到最合理的分類方式，分別用英文A到F表示，如表2所示。

第二階段：在根據(jù)尾流標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類后重新計(jì)算航空器的間隔，保證前機(jī)與后機(jī)對(duì)應(yīng)的最小尾流間隔，使每組航空器都有相對(duì)應(yīng)的最小間隔標(biāo)準(zhǔn)。第三階段：使用整個(gè)動(dòng)態(tài)組合下的航空器尾流間隔，根據(jù)航空器的重量、指標(biāo)參數(shù)、航空氣象等參數(shù)，能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)檢測，獲得實(shí)際應(yīng)用中兩架飛機(jī)的尾流間隔[6]。

以美國孟菲斯機(jī)場運(yùn)行RECAT為例，美國孟菲斯機(jī)場是世界上第一個(gè)實(shí)施RECAT運(yùn)行的機(jī)場。經(jīng)過六個(gè)月的實(shí)驗(yàn)，美國聯(lián)邦航空局組織MEM塔臺(tái)，美國聯(lián)邦快遞公司和其他機(jī)構(gòu)，對(duì)六個(gè)月時(shí)間內(nèi)的機(jī)場容量和運(yùn)行能力進(jìn)行了綜合評(píng)估。MEM塔臺(tái)統(tǒng)計(jì)出航空器離場通行能力增加了22%，進(jìn)場的通行能力增加了15%左右，航空器的等待離場時(shí)間大幅減少。MITRE公司數(shù)據(jù)顯示實(shí)施RECAT技術(shù)后，85%的航空器間隔會(huì)縮短。飛機(jī)的離場平均滑行時(shí)間縮減了2min，離場的排隊(duì)時(shí)間縮減了38%。在高峰時(shí)段的飛機(jī)離場容量平均每小時(shí)增加了7個(gè)架次，吞吐量增加13%，離場時(shí)間間隔減少16%[7]。RECAT在歐洲的一些機(jī)場運(yùn)行結(jié)果表明，實(shí)施新的RECAT技術(shù)后，跑道容量和機(jī)場運(yùn)行效果和跑道容量立即得到提高。能夠減少飛機(jī)離場的總時(shí)間和總飛行時(shí)間，降低延誤率。

因此相較于現(xiàn)行的基于最大起飛總量對(duì)航空器進(jìn)行分類，試行的RECAT尾流進(jìn)行分類能夠提升跑道容量，表3為基于REACAT航空器重新分類對(duì)比，A包含的是AN-225、 A380等超大型飛機(jī)，F(xiàn)表示的是小型飛機(jī)E120等。

2? 上海虹橋機(jī)場運(yùn)行模式

上海虹橋機(jī)場，是我國大型樞紐機(jī)場。如圖1所示，為虹橋機(jī)場跑道示意圖。兩條跑道分別為RWY18L/36R，長3400米，寬60米，RWY18R/36L，長3300米，寬45米，北端齊平，兩條跑道間距365米，為近距平行跑道，主要運(yùn)行模式為隔離平行運(yùn)行模式，兩條跑道間距365米，其中跑道RWY18R/36L主要用于起飛;RWY18L/36R主要用于降落，經(jīng)管制員許可可用于起飛[8]。隔離平行運(yùn)行時(shí)的著陸航空器、起飛航空器的間隔需滿足單跑道間隔標(biāo)準(zhǔn)。

3? 建立跑道容量評(píng)估模型

3.1 跑道容量模型建立

根據(jù)虹橋機(jī)場的運(yùn)行模式，目前近距平行跑道的容量模型能夠近似于單跑道容量的模型，通過計(jì)算單跑道的進(jìn)場容量與改進(jìn)尾流標(biāo)準(zhǔn)下的容量對(duì)比。

單跑道進(jìn)場容量模型的前提條件是：

①跑道的幾何構(gòu)型確定;

②航空器的進(jìn)行下滑角為3°;

③兩條跑道同時(shí)只能有1架飛機(jī)占用;

④兩架飛機(jī)進(jìn)場時(shí)，無航空器跑道起降。

3.2 基于RECAT尾流的近距平行跑道容量模型

本文考慮在進(jìn)場情況下基于RECAT的尾流間隔分類標(biāo)準(zhǔn)建立跑道容量模型[9]。P為所有航空器都會(huì)經(jīng)過的公共下滑道入口點(diǎn)，M為跑道的入口，X和Y分別相繼進(jìn)近的飛機(jī)，L為進(jìn)近著陸公共下滑道長度。根據(jù)圖2所示，若前機(jī)的速度小于后機(jī)的速度，則相互距離會(huì)不斷減少，這樣在跑道入口航空器之間的距離最小，并且需要在入口點(diǎn)保證兩架飛機(jī)的最小間隔;如果前機(jī)的速度大于后機(jī)，前機(jī)和后機(jī)的距離則會(huì)不斷增加，則在P點(diǎn)會(huì)有最小間隔，在兩機(jī)速度一樣則按照在跑道入口處在達(dá)到最小間隔時(shí)，建立模型：

式中，CA為跑道進(jìn)場容量;t為前機(jī)為X，后機(jī)為Y陸續(xù)經(jīng)過跑道入口的時(shí)間間隔;pXY為前機(jī)X，后機(jī)Y所占比例;vX，vY為前機(jī)為X，后機(jī)為Y最后進(jìn)近著陸時(shí)的平均速度;RaX為X類飛機(jī)跑道占用的平均時(shí)間;wXY為不同類型飛機(jī)間所實(shí)施的尾流間隔。通過對(duì)航空器重新分類后得到的新標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)近距平行跑道進(jìn)行容量研究。實(shí)施RECAT之前，以及實(shí)施之后進(jìn)行比較跑道容量。

4? 上海虹橋機(jī)場運(yùn)行效率對(duì)比

通過調(diào)研選取上海虹橋機(jī)場2018年11月13日進(jìn)場航空器類型為數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，通過現(xiàn)行的尾流間隔和RECAT尾流間隔獲得進(jìn)場容量進(jìn)行比較分析。

根據(jù)2018年上海虹橋機(jī)場到達(dá)航空器使用RWY18L/36R跑道為例，通過統(tǒng)計(jì)所得該跑道2018年11月13日航空器進(jìn)場的總架次數(shù)為552架次/h，求得平均每小時(shí)的進(jìn)場架次數(shù)為架23次/h。以及進(jìn)行RECAT分類得到虹橋機(jī)場統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)各種航空器類型的所占的百分比如表4所示。

根據(jù)表5各類飛機(jī)的平均進(jìn)近速度

根據(jù)一起一降跑道容量模型和現(xiàn)行尾流間隔計(jì)算，最后進(jìn)近航段長度為12km，著陸跑道平均占用時(shí)長為1min，通過結(jié)合RECAT分類前后的各種機(jī)型的速度，各時(shí)段航班到場百分比，以及尾流間隔都是已知的。

因此虹橋機(jī)場在隔離平行運(yùn)行模式下的到達(dá)容量為23架次/h。而基于RECAT尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)所計(jì)算出的每小時(shí)進(jìn)場的架次數(shù)為27架次/h由計(jì)算結(jié)果可知實(shí)施RECAT尾流間隔后跑道實(shí)際容量平均增加了約14%。

5? 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算得出結(jié)論：與現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，在RECAT運(yùn)行模式下的機(jī)場進(jìn)場容量是增加的，能夠提升機(jī)場的運(yùn)行容量優(yōu)化運(yùn)行效率，對(duì)于繁忙的虹橋機(jī)場來說能夠降低管制員工作負(fù)荷，提升進(jìn)場的運(yùn)行效率。

隨著國內(nèi)近距平行跑道的使用增加，相較于我國現(xiàn)行的航空器分類標(biāo)準(zhǔn)，在RECAT標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行下，能夠提升機(jī)場容量，優(yōu)化運(yùn)行效率，這是我國近距跑道機(jī)場運(yùn)行模式的未來發(fā)展方向，對(duì)于我國空管發(fā)展也有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

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