基于動(dòng)態(tài)尾流間隔的機(jī)場(chǎng)運(yùn)行容量提升研究

蔣豪　陳亞青

摘要：空域資源的短缺制約著我國(guó)民航發(fā)展，現(xiàn)存的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)不夠精細(xì)。美國(guó)FAA已對(duì)尾流間隔進(jìn)行重新分類(lèi)，ICAO發(fā)布的ASBU計(jì)劃將對(duì)尾流的進(jìn)行重新分類(lèi)。在保證安全前提下，探索適合中國(guó)民航的更為精確的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，可為提高空域資源、機(jī)場(chǎng)容量提供參考與技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)尾流間隔;機(jī)場(chǎng)容量;ASBU;RECAT

0 ?引言

日前空域資源嚴(yán)重短缺，無(wú)疑是制約民航發(fā)展的主要瓶頸。越是航空運(yùn)輸繁忙的地區(qū)，越是民航業(yè)發(fā)展較快的地區(qū)，空域資源不足的問(wèn)題越為突出。隨著我國(guó)大型樞紐機(jī)場(chǎng)擁堵趨勢(shì)日益加劇，不少機(jī)場(chǎng)紛紛修建新跑道，考慮到節(jié)約用地及其他原因，一些機(jī)場(chǎng)只能修建近距平行跑道（跑道中心線(xiàn)距小于760米）。但按照我國(guó)現(xiàn)行間隔標(biāo)準(zhǔn)，近距平行跑道跑道運(yùn)行間隔只能按照單跑道運(yùn)行實(shí)施，使得近距平行跑道未發(fā)揮其最大作用，對(duì)機(jī)場(chǎng)容量提升的貢獻(xiàn)度有限，未能有效解決空域資源的短缺問(wèn)題。

毫無(wú)疑問(wèn)，優(yōu)化現(xiàn)行的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，能夠提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率，切實(shí)提高民航現(xiàn)有可用空域使用效率，作為推進(jìn)民航供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、實(shí)現(xiàn)行業(yè)提質(zhì)增效的突破點(diǎn)，促進(jìn)我國(guó)民航整體水平的提升，確保民航強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。

1 ?國(guó)內(nèi)外運(yùn)行現(xiàn)狀

目前，大多數(shù)國(guó)家按照國(guó)際民航組織在DOC4444—《空中交通管理》中對(duì)尾流間隔的劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)航空器之間的間隔進(jìn)行管理。同時(shí)，歐美航空發(fā)達(dá)國(guó)家或組織有自成一體的整套尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，在其所管轄范圍內(nèi)實(shí)施。國(guó)際上對(duì)航空器尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的劃分，主要分為以下幾類(lèi)。

1.1 國(guó)際民航組織的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)

ICAO在《空中交通管理》（DOC4444）中對(duì)雷達(dá)尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)如表1所示，也是大多數(shù)國(guó)家所采用的的三類(lèi)尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 美國(guó)尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)

FAA于2012年10月18日發(fā)布了運(yùn)行安全告警（Safety Alert for Operators：SAFO），對(duì)孟菲斯國(guó)際機(jī)場(chǎng)率先實(shí)行新的雷達(dá)尾流分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)FAA以及歐洲航空安全組織的尾流方面和安全風(fēng)險(xiǎn)方面專(zhuān)家對(duì)尾流間隔數(shù)年的共同研究，F(xiàn)AA于2015年在JO7110.659B中批準(zhǔn)通過(guò)了新的雷達(dá)尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，并于3月1日在全美符合條件的機(jī)場(chǎng)開(kāi)始實(shí)施。重新分類(lèi)的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)在原來(lái)尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，充分利用了尾流的物理性質(zhì)，基于航空器重量、進(jìn)近速度、機(jī)翼特征以及航空器承受尾流強(qiáng)度的能力，共分為6類(lèi)（A-F）。常見(jiàn)機(jī)型分類(lèi)如表2所示，重新分類(lèi)的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

在JO7110.659B中，對(duì)單跑道或者中心線(xiàn)距小于2500英尺（約760m）的平行跑道上執(zhí)行目視或儀表飛行規(guī)則的航空器起飛間隔如表4所示。

另外，從2011年起，美國(guó)3個(gè)機(jī)場(chǎng)對(duì)離場(chǎng)尾流緩解系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行驗(yàn)證，旨在當(dāng)跑道側(cè)風(fēng)足夠強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，一架重型航空器在順風(fēng)跑道上離場(chǎng)之后，逆風(fēng)平行跑道上離場(chǎng)的航空器無(wú)需等待目前規(guī)定中的兩至三分鐘。通過(guò)對(duì)跑道側(cè)風(fēng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)管制員何時(shí)取消兩至三分鐘的尾流間隔以及何時(shí)啟用此間隔。這種動(dòng)態(tài)間隔有效提高了跑道容量，使延誤水平大大降低。

1.3 歐洲航空安全組織的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)

歐洲航空安全組織（European Organization for the Safety of Air Navigation，簡(jiǎn)稱(chēng)EUROCONTROL）經(jīng)過(guò)數(shù)年研究，于2015年7月發(fā)布了歐洲新型航空器尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)（European Wake Vortex Re-categorisation，簡(jiǎn)稱(chēng)RECAT-EU），其中對(duì)航空器進(jìn)行了重新的分類(lèi)（詳見(jiàn)圖1），尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)如表5、表6。目前，新型尾流分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)已應(yīng)用于法國(guó)的戴高樂(lè)和布爾歇機(jī)場(chǎng)，并取得了良好效果。

1.4 我國(guó)尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)參照DOC4444中的雷達(dá)尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，在2000年頒布的《中國(guó)民用航空空中交通管理規(guī)則》中，對(duì)航空器尾流間隔的規(guī)定如表7所示;2008年下發(fā)的《空中客車(chē)A380機(jī)型尾流類(lèi)型及尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定》中規(guī)范了A380-800機(jī)型配備的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)。此外，當(dāng)前機(jī)是波音757時(shí)，按照重型機(jī)的尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

為了進(jìn)一步提高大型樞紐機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行能力，在2013年發(fā)布的《優(yōu)化空中交通管制運(yùn)行規(guī)范的暫行規(guī)定》中指出，為年旅客吞吐量1000萬(wàn)人次以上的機(jī)場(chǎng)提供進(jìn)近雷達(dá)管制和機(jī)場(chǎng)塔臺(tái)管制的單位，可使用目前ICAO在《空中交通管理》中規(guī)定的雷達(dá)尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)。

我國(guó)與FAA及EUROCONTROL的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)有所不同，但整體上我國(guó)的雷達(dá)尾流間隔比FAA稍大，在更大程度上確保了運(yùn)行的安全，同時(shí)也降低了跑道和空域的使用率。

可見(jiàn)，我國(guó)現(xiàn)行尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)未能充分提升機(jī)場(chǎng)跑道容量及空域容量，造成資源浪費(fèi)。因此，為解決機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率和我國(guó)現(xiàn)有空域使用效率問(wèn)題，尋求新型尾流間隔已成為亟需解決的難題?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展、計(jì)算流體力學(xué)的進(jìn)步以及觀測(cè)手段的豐富，研究發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行的基于距離的尾流標(biāo)準(zhǔn)仍有較大余量。因此，動(dòng)態(tài)尾流間隔的概念應(yīng)運(yùn)而生。

動(dòng)態(tài)尾流間隔旨在通過(guò)預(yù)測(cè)前機(jī)尾流的位置、強(qiáng)度，將后機(jī)遭遇尾流的風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受的范圍之內(nèi)，從而達(dá)到縮減尾流間隔、提高機(jī)場(chǎng)容量的目的。

2 ?國(guó)內(nèi)外尾流間隔的發(fā)展

趨勢(shì)

國(guó)際民航組織在航空系統(tǒng)組塊升級(jí)（ASBU）中明確提出在2013年開(kāi)始實(shí)施的ASBU模塊B0-WAKE中通過(guò)優(yōu)化尾流間隔提高跑道吞吐量，即通過(guò)優(yōu)化尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)、修訂航空器尾流等級(jí)和程序提高進(jìn)離場(chǎng)跑道的吞吐量。

在計(jì)劃于2018年開(kāi)始實(shí)施的模塊B1-WAKE中，提出通過(guò)動(dòng)態(tài)尾流間隔提高跑道吞吐量。預(yù)計(jì)在要素1中將新型尾流最低間隔標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)充至航空器型別尾流間隔雙機(jī)配組的靜態(tài)前機(jī)/后機(jī)雙機(jī)矩陣。國(guó)際民航組織計(jì)劃于2016年之前批準(zhǔn)使用該矩陣。要素2擬通過(guò)對(duì)尾流間隔的適用方式加以修改，增加一些機(jī)場(chǎng)的中心線(xiàn)間隔小于760米（2500英尺）的平行跑道和單跑道上的進(jìn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)。則ATC系統(tǒng)需具備進(jìn)場(chǎng)尾流緩解（Wake Turbulence Mitigation for Arrival：WTMA）能力。要素3是在提高WTMA預(yù)測(cè)能力的情況下，制定離場(chǎng)尾流緩解程序，以便能安全地增加中心線(xiàn)間隔小于760米（2500英尺）的平行跑道機(jī)場(chǎng)上的離場(chǎng)容量。

這些模塊升級(jí)，使得終端區(qū)可以在某些情況下使用降低的尾流標(biāo)準(zhǔn)和合理程序?；谒贫ǖ臉?biāo)準(zhǔn)，可安全地對(duì)最低間隔標(biāo)準(zhǔn)及其適用情況進(jìn)行修改，從而使機(jī)場(chǎng)容量逐步增加。ICAO預(yù)期通過(guò)這些組塊升級(jí)使各成員國(guó)能夠根據(jù)各自的運(yùn)行要求提高機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率、空中交通容量，使所有成員國(guó)和利益相關(guān)方能夠?qū)崿F(xiàn)全球統(tǒng)一化。

中國(guó)民航“十三五”也做了相應(yīng)的規(guī)劃——全面應(yīng)用國(guó)際民航組織新型尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展動(dòng)態(tài)尾流間隔應(yīng)用研究。

3 ?國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

尾流是航空器在飛行過(guò)程中在其尾部形成的氣流，飛機(jī)穿越尾流區(qū)時(shí)可能在短時(shí)間內(nèi)造成大幅度顛簸，掉高度，機(jī)翼載荷突變，輕者讓飛行人員操縱困難，旅客不適，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致機(jī)體結(jié)構(gòu)的損壞，釀成災(zāi)難性后果。因此，其運(yùn)動(dòng)特性是制定間隔標(biāo)準(zhǔn)的重要參考因素。國(guó)外涉足該方面的研究較早，前期針對(duì)尾流的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了大量的研究工作，提出了尾流的消散和預(yù)測(cè)模型[1][2][3][4]。

在此基礎(chǔ)之上，2007年德國(guó)宇航中心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了尾流預(yù)測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)[5]。該系統(tǒng)可依據(jù)特定的天氣條件與尾流特性，在不影響安全的前提下動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)尾流間隔。并在法蘭克福機(jī)場(chǎng)得到了成功應(yīng)用，使機(jī)場(chǎng)容量增強(qiáng)3%以上;為東京國(guó)際機(jī)場(chǎng)的曲線(xiàn)進(jìn)近程序提供依據(jù)，使其容量提升約12%[6]。于2009年，該機(jī)構(gòu)又開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了航空器尾流情境仿真模型[7]，實(shí)現(xiàn)了對(duì)尾流遭遇的嚴(yán)重性進(jìn)行評(píng)估。2010，德國(guó)魯爾大學(xué)開(kāi)發(fā)了“三維空間+時(shí)間”的尾流4D預(yù)測(cè)模型[8]，可模擬航空器在既定飛行路線(xiàn)上尾流傳播與衰減。

NASA結(jié)合大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，于2000年成功研制了尾流間隔系統(tǒng)[9]，并在達(dá)拉斯機(jī)場(chǎng)進(jìn)行多次試驗(yàn)后表明可有效縮短單跑道著陸間隔，容量提高6%，延誤降低約40%[10]。

國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)尾流間隔也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，但是對(duì)于間隔的基礎(chǔ)理論研究相對(duì)較少。北京航空航天大學(xué)的劉寶杰、南京航空航天大學(xué)的胡軍等對(duì)尾流對(duì)間隔的影響以及尾流標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比分析[11];2007年，西南交通大學(xué)的馮志勇提出了混合起降尾流間隔[12];2010年，徐肖豪等人用大渦模擬方法發(fā)現(xiàn)了在渦對(duì)卷起之前的不對(duì)稱(chēng)性和Crow關(guān)聯(lián)發(fā)生后渦對(duì)消散的不對(duì)稱(chēng)性，并分析了其原因[13];同年，張兆寧和張彬建立了縱向尾流間隔計(jì)算模型[14];2014年，王菲等人分析、總結(jié)了國(guó)內(nèi)外縮減尾流間隔技術(shù)，指出目前研究的熱點(diǎn)集中于動(dòng)態(tài)尾流預(yù)測(cè)[15]。

4 ?動(dòng)態(tài)尾流間隔在我國(guó)實(shí)施的建議

為了促進(jìn)動(dòng)態(tài)尾流間隔在我國(guó)的盡快實(shí)施，應(yīng)著力從以下幾個(gè)方面逐步推進(jìn)：①民航局應(yīng)大力鼓勵(lì)和支持國(guó)內(nèi)外有關(guān)單位對(duì)實(shí)施動(dòng)態(tài)尾流間隔管理的研究和資金投入;②各地區(qū)管理局應(yīng)轉(zhuǎn)變固有思維方式，加強(qiáng)對(duì)先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)，同時(shí)支持對(duì)實(shí)施動(dòng)態(tài)尾流間隔管理研究的協(xié)調(diào)工作;③從事該方面研究的單位或機(jī)構(gòu)應(yīng)對(duì)我國(guó)民航尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際上的尾流標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入的對(duì)比和分析，應(yīng)對(duì)國(guó)外運(yùn)行和研究經(jīng)驗(yàn)豐富的單位或機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)地考察和學(xué)習(xí)，從源頭上找到問(wèn)題關(guān)鍵所在;④從事動(dòng)態(tài)尾流研究工作的科研團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)由一支擁有豐富的一線(xiàn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、扎實(shí)的民航基礎(chǔ)知識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬘?jì)算能力、推理能力和較強(qiáng)的編程能力的民航背景人員組成;⑤保證管制安全運(yùn)行前提下，大膽創(chuàng)新，突破思維玻璃天花板，研究與尾流相關(guān)的其他運(yùn)行模式，如起飛飛機(jī)后側(cè)穿越等。

5 ?總結(jié)

國(guó)外研制的動(dòng)態(tài)尾流間隔系統(tǒng)現(xiàn)處于應(yīng)用的初級(jí)階段，即在有利側(cè)風(fēng)的影響下，在上風(fēng)跑道著陸的航空器不再受限于近距跑道運(yùn)行下風(fēng)向跑道航空器的尾流間隔要求。目前，國(guó)外相關(guān)機(jī)構(gòu)又在進(jìn)行基于時(shí)間的高級(jí)尾流間隔系統(tǒng)研究，并且范圍從近距跑道擴(kuò)展到單跑道。

伴隨中國(guó)民航的不斷發(fā)展和壯大，我國(guó)大型樞紐機(jī)場(chǎng)眾多且不斷增加，及時(shí)開(kāi)展動(dòng)態(tài)尾流研究，在保證安全的前提下，促進(jìn)動(dòng)態(tài)尾流間隔標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，縮小著陸航空器的尾流間隔，緩解樞紐機(jī)場(chǎng)日益擁堵的情況，提高我國(guó)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行效率，切實(shí)提高民航現(xiàn)有可用空域使用效率，早日形成民航發(fā)展“量大質(zhì)優(yōu)”的新形態(tài)，確保民航強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Greene.G.C. An Approximate Model of Vortex Decay in the Atmosphere [J]. Journal of Aireraft， 1986， 23：16-24.

[2]Ronald D. Henderson. Nonlinear Dynamics and Pattern Formation in Turbulent Wake Transition[J]. Fluid Mech，1997， 352：65-112.

[3]J. N. Hallock， S. P. Osgood. Wake Vortex Effects on Parallel Runway Operations[C]. 41st Aerospace Sciences Meeting and Exhibit6-9， Reno， Nevada： AIAA 2003-379.

[4]Fred H. Proctor， David W. Hamilton. Evaluation of Fast-Time Wake Vortex Prediction Models[C]. 47th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition， Orlando， Florida： AIAA 2009-344.

[5]Holzapfel F， Gerz T. The Wake Vortex Prediction and Monitoring System WSVBS-part 1： Design[C]. 1st CEAS European Air and Space Conference， Berlin， Germany： DGLR2007.

[6]Matayoshi N， Okuno Y， Sugiura M， etc. Airport Terminal Traffic Simulation Applying Reduced Wake Vortex Separation[C]. 10th AIAA Aviation Technology， Integration， and Operations Conference. Ft. Worth， Texas， USA： AIAA， 2010.

[7]Holzapfel F， Frech M， Gerz T， et al. Aircraft Wake Vortex Scenarios Simulation Package-Wake -Scene[J]. Aerospace Science & Technology， 2009， 13（1）：1-11.

[8]Visscher I D， Winckelmans G， Lonfils T. The WAKE4D Simulation Platform for Predicting Aircraft Wake Vortex Transport and Decay： Description and Examples of Application[C]. AIAA Atmospheric and Space Environments Conference， Toronto， Ontario Canada：AIAA，2010.

[9]Hinton DA， Charnock JK， Bagwell DR. Design of An Aircraft Vortex Spacing System for Airport Capacity Improvement[C]. 38th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit， Reno， NV， USA：AIAA， 2000.

[10]Rutishauser D， Lohr G， Hamilton D. Wake Vortex Advisory System Concept of Oprations[M]. Hampton， VA， USA： Langley Research Center， 2003.

[11]胡軍.空中交通中的尾流安全間隔研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2001.

[12]馮志勇.尾流對(duì)飛行的影響及安全間隔研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

[13]徐肖豪，趙鴻盛，楊傳森，等.飛行進(jìn)近中尾流的大渦數(shù)值模擬[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42（2）：179-184.

[14]張兆寧，張彬.縱向尾流間隔計(jì)算方法研究[J].中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，28（5）：10-12.

[15]王菲，張軍峰，葛騰騰.終端空域尾流間隔縮減研究綜述[J].交通信息與安全，2014，6（32）：15-21.

基金項(xiàng)目：民航安全能力建設(shè)資金（TM2018-3-1/2）;中國(guó)民航飛行學(xué)院青年基金項(xiàng)目（Q2016-114）。

作者信息：蔣豪（1989-），男，四川雅安人，碩士，助理研究員，中國(guó)民用航空飛行學(xué)院。