近距平行跑道配对离场关键因素研究

田　勇，颜于杰，吴东晖

（南京航空航天大学民航学院，南京210016）

近距平行跑道配对离场关键因素研究

田勇，颜于杰，吴东晖

（南京航空航天大学民航学院，南京210016）

相比于目前国内近距平行跑道的离场方式，近距平行跑道配对离场能大幅减少飞机的离场时间间隔，从而提高机场的容量.在应用近距平行跑道配对离场程序时，需要确定配对机的离场时间间隔与运行该程序的侧风条件，其中离场时间间隔分为起始时间间隔和离场航段参考点的最大时间间隔.根据不同机型的飞行参数，建立数学计算模型，得到配对机的离场时间间隔，并在此基础上考虑侧风对尾流的影响，得出允许应用该程序的最大正侧风风速，结合风向，得到侧风条件.以上海虹桥国际机场作为实例，计算得到配对机的初始时间间隔为30 s，在离场航段参考点的最大时间间隔分别为50 s、68 s，最大正侧风风速为3.3m/s.

航空运输；近距平行跑道；尾流运动；配对离场；时间间隔；侧风条件

近年来，空中交通发展迅猛，交通流量不断增长，预计至 2025年总的空中交通流量会增加70%.在如此迅猛的增长下，许多繁忙机场的容量面临着巨大的挑战.这些机场开始通过增加平行跑道的数量来满足日益增长的流量需求，由于中远距离的平行跑道相对于近距平行跑道（CloselySpaced Parallel Runway，CSPR）存在占地面积广和投资成本高的缺陷，因此机场在修建跑道时常选用近距平行跑道.近距平行跑道是指两条平行跑道中心线间距小于762 m的跑道对.国内外对近距平行跑道的研究，目前多集中在进近方面，离场方面的研究则较少，离场作为空中交通的重要组成部分，其潜在应用价值是巨大的，近距平行跑道离场理应成为相关学者研究的重点领域之一.

21世纪以来，国内外学者陆续对近距平行跑道离场展开了研究.2008年，Milan通过建立解析模型计算了近距平行跑道离场的容量［1］；2009年，Audenaerd等提出了跑道头存在错开距离的的近距平行跑道的跑道构型能更好地避免后机受前机尾流的影响［2］；2012年Vernon对尾流进行观察，详细分析了尾流在不同阶段的侧向运动的特点［3］.国内方面，2014年，武丁杰对近距平行跑道的容量进行了评估与优化［4］；2009年，周彬等通过尾流的保守被动模型对尾流实时仿真，得到了不同侧风不同时刻下尾流的状态分布等重要特性［5］；2010年，徐肖豪等综述尾流间隔缩减技术，并比较和论述了优劣［6］.以上研究均集中在容量的评估和飞机尾流的特点上，基本处于近距平行跑道离场的理论研究阶段.在实际应用方面，国外学者提出了近距平行跑道配对离场这一思想，配对离场为近距平行跑道一种较新的离场方式，有着较大的应用价值. 2008年，Clark R·Lunsford基于规避前机尾流提出了近距平行跑道配对离场的思想［7］；2010年，Isaac Robeson等基于飞行数据建立了一种能增加近距平行跑道离场容量的调节器，并通过实验仿真进行了验证［8］.国内方面，张兆宁于2010年运用数学建模的方法分析近距平行跑道配对离场的安全性［9］；2013年，田勇等提出了确定近距平行跑道间隔的方法，为实现近距平行跑道配对离场程序奠定了理论基础［10］.

本文总结前人的研究成果，发现与目前近距平行跑道离场方式相比，配对离场能最大程度地提升跑道的利用率，从而增加机场容量.但就目前而言，近距平行跑道配对离场的使用方法还未有系统的研究和指南.因此本文在已有研究成果的基础上，系统介绍近距平行跑道配对离场模式，提出了运行近距平行跑道配对离场程序的三个关键因素，得出了配对前后机的离场时间间隔，在本文得出的离场时间间隔基础上，以保证配对前机产生的尾流对后机的正常离场不造成影响为目标，对近距平行跑道配对离场程序的最大正侧风风速进行了分析，最后结合风向得到了允许运行近距平行跑道配对离场程序的侧风条件.本文针对提高机场容量提出的策略是近距平行跑道配对离场，所以文中涉及到前后机的概念均是指位于两条平行跑道上的配对飞机.

1　近距平行跑道配对离场

2004年5月我国公布了《平行跑道同时仪表运行管理规定》，其中明确规定当两平行跑道的间距小于760 m时，离场飞机的放行间隔应当按照一条跑道规定的放行间隔执行.根据《中国民用航空空中交通管理规划》第九节的规定，同一跑道前后离场的航空器，应配备相应的尾流间隔，分为非雷达间隔和雷达间隔.其中非雷达间隔（第43条）规定：前后起飞离场的航空器若为重型机和中型机、重型机和轻型机、中型机和轻型机时，其单跑道放行间隔不得少于2 min，若前机为A380-800，放行间隔还要增大.对于雷达间隔，同一跑道前后离场的航空器的最小放行间隔值与非雷达间隔的数值相差不大，具体可以参见《中国民用航空空中交通管理规划》第46条规定.在国际上，也有相似的规定：当使用跑道中心线间距小于7 620 m的平行跑道时，先离场的飞机为重型机和波音757时，要求后离场的飞机必须等待2～3 min.上述规定是考虑前机产生的尾流可能会对后机正常离场造成影响，按照上述规定，不论是目视飞行还是仪表飞行，后机必须至少等待2 min，直至前机产生的尾流消散后，方可开始起飞滑跑.这些规定对于那些当前容量趋于饱和的繁忙机场，在提高容量和减少延误上更是增加了难度.但是，随着过去30年余年来学者对飞机尾流的研究，在飞机尾流运动和尾流在近地消散等方面已有了成熟的理论.基于这些理论，在保证配对前机产生的尾流对后机离场不造成影响的前提下，就可以减少前后机的放行间隔，使后机更早地起飞，避免了长时间的等待，提高了跑道和终端区的资源利用率，这就是近距平行跑道配对离场模式，见图1.在使用近距平行跑道时，基于配对离场策略，后机可以不需要进行至少2 min左右的等待，而是在前机产生的尾流还未到达后机位置时提前开始起飞滑跑，根据本文2.1小节里设定30 s，减小了配对后机75%左右的等待时间，前后机的放行间隔大幅减少，整个机场在相同时间段内有更多的飞机起飞离场，从而有效地改善了机场容量.

机场在运行近距平行跑道配对离场程序时，主要考虑三个关键因素：一是配对离场前后机的离场时间间隔；二是机场能运行配对离场程序的侧风条件；三是机场两平行跑道中心线间距.考虑到在机场确定的情况下，跑道中心线间距是无法改变的，本文将视平行跑道中心线间距为已知参量，并重点分析配对机的离场时间间隔和机场能运行配对离场程序的侧风条件以及此二者间的相互影响关系.

目前我国还未实施近距平行跑道配对离场程序，但也应为将来实施该程序做好规划，充分保证该程序运行的安全性.在未来的运行中，可以采用区域导航（RNAV）指导配对机的飞行，联合使用驾驶舱交通信息显示（CDTI）和广播式自动相关监视技术（ADS-B）来监控配对机的飞行间隔.

图1　近距平行跑道配对离场

2　离场时间间隔和侧风条件的确定

本文研究配对机的离场时间间隔分两个方面考虑：配对离场前后机的起始时间间隔和离场航段上的时间间隔.其中离场航段上的时间间隔的研究为配对机飞过指定参考点的最大时间间隔，通过得到的最大时间间隔来确定机场允许运行近距平行跑道配对离场程序的最大正侧风风速，同时侧风条件在最大正侧风风速的基础上得到确定.

2.1离场时间间隔

2.1.1起始时间间隔

配对离场前后机的起始时间间隔是指飞机各自开始起飞滑跑的时间间隔，为了便于研究和使用近距平行跑道配对离场，在确定起始时间间隔前，应对其规定一个时间起点，本文以前机开始滑跑那一刻作为时间起点.

起始时间间隔的确定，由下述三个方面共同决定：

1）管制员对后机发放起飞许可时间，取值为6 s.

2）后机接到起飞许可到实际开始滑跑所用时间，现定义为后机的起飞准备时间，取值为18 s.该数值参考的是国外两个繁忙机场的统计数据，分别是费城国际机场和西雅图塔科马国际机场.该统计数据包含了不同的机型：重型、中型、轻型，总计是100次离场.其中后机平均的起飞准备时间约为9 s，98%的飞机所花时间不超过18 s，保守起见，采用后者作为后机的起飞准备时间.

3）不确定因素的安全缓冲时间，取值为6 s.综合以上三条，将各项的值相加，得到起始时间间隔为30 s.

2.1.2参考点的最大时间间隔

起始时间间隔确定后，考虑到在实际飞行过程中配对机可能存在机型不同的问题，会导致前机过快或过慢.若前机过快，后机相对过慢，让前机产生的尾流有了更多的时间运动到后机的离场航段上，增大了配对离场的风险，因此需要考虑配对离场前后机在离场航段上的时间间隔.由于对整个离场航段上的时间间隔都进行研究是繁琐且没有必要的，因此从安全与可行的角度出发，只研究配对机在离场航段上若干个参考点的时间间隔.

在本文中运行配对离场程序的安全指标是前机产生的尾流不会影响到后机，因此根据前机尾流的侧移情况来决定如何在配对机的离场航段上设定参考点.

尾流的侧移根据是否受地面效应影响分为两种情况［11］：

1）不受地面效应影响，此时飞机距离地面高度大于一个翼展，尾涡在自身和侧风的作用下侧向传播.如在稳定的大气条件下，尾涡的中心间距将基本保持不变，尾涡近似没有侧移.

2）受地面效应影响，此时尾涡高度小于地面一个翼展的长度，当尾涡距离地面高度小于半个翼展长度时，尾涡会与地面相互作用而迅速分离.而当尾涡距离地面高度大于翼展长的一半时，两股尾涡流之间以及与地面相互作用导致了它们分离并阻碍它们正常的下降，尾涡就以2～3 m/s的速度向两侧移动.

基于上述的尾流运动情况，决定在配对机的离场航段上设定两个参考点，其中一个考虑尾流受地面效应影响，另一个则考虑尾流不受地面效应影响.将考虑尾流受地面效应影响的参考点定为参考点1，并将该参考点的位置设在前机开始产生尾涡流的地方.飞机一般是在抬前轮后开始产生尾涡流，由于不同机型从开始滑跑到抬前轮所需要的距离是不一样的，本文考虑前机为重型机时最晚抬前轮需要的距离约为2 408 m［12］，即参考点1位于离飞机开始滑跑2 408 m处.而将考虑尾流不受地面效应的参考点定为参考点2，并将该参考点的位置设在配对机的离场航迹可能仍然平行的最远点，当配对机的离场路线不再平行时，意味着至少有一台飞机向外转弯，这会导致配对机间的侧向距离迅速增大，此时尾流的运动就无法与之相比了，最远点一般距离飞机滑跑点大约5 556 m［13］，即参考点2位于离飞机开始滑跑5 556 m处.

图2　前机到达参考点1

图3　后机到达参考点1

现以配对机飞过参考点1为例来说明离场航段参考点的时间间隔.如图2所示，飞机在离场航段上飞行时会存在时刻t1：前机到达参考点1，后机在自身航段飞行但还未到达参考点1.经过时间Δt，到达时刻t2：前机已飞过参考点1，后机到达参考点1，见图3.Δt就是本文所说的配对机在离场航段参考点的时间间隔.

为了保证后机不受前机尾流影响并得到最大的正侧风风速，需要计算出配对机在离场航段上两个参考点的最大时间间隔.因此在选用飞行数据时会选择前机到达参考点的最短时间，后机到达参考点的最长时间，这样前机能最快到达参考点，后机最慢到达参考点，得到两机在参考点的最大时间间隔.在计算最大时间间隔时，本文采用的飞行数据来自于由欧洲民航控制中心维持的数据库Base of Aircraft Date（BADA），所用数据包含了82种飞机，分为重型、中型、轻型三种机型，较为全面地反映了不同机型的飞行时间.鉴于第1节里分析的前后机放行间隔，前机考虑的机型为重型机，后机对机型则没有要求.不同机型到达参考点1的时间见表1；到达参考点2的时间见表2.

表1　不同机型到达参考点1的时间

表2　不同机型到达参考点2的时间

前后机通过参考点的最大时间间隔T为：

其中：T1为后机到达参考点的最长时间；T2为前机到达参考点的最短时间；T0为配对离场前后机的起始时间间隔.

飞机在配对离场时，造成前后机离场时间间隔变动的因素不止配对机飞行速度上的差异，尽可能考虑多的影响因素以便得到更为精确的最大时间间隔.当两平行跑道存在跑道头错开距离时，会对前后机的最大时间间隔造成影响，此时应对最大时间间隔进行修正，例如前机所在跑道相对后机所在跑道向前错开300 m的间距时，后机需要大约每多90 m就加上1 s的时间间隔，300 m的错开间距就需要后机大约加上3.3 s的时间间隔.另外，考虑航空器的翼展和在侧向位置上存在的定位误差，会再加上一个6 s左右的安全缓冲时间间隔.

2.2侧风条件

机场能否运行近距平行跑道配对离场程序，主要取决于侧风条件.侧风条件包括：侧风风速与风向.本文在确定侧风条件时，以前机产生的尾流不影响后机正常离场为目标，即在前机尾流产生的初期，尾流短时间内还未能移动到后机的离场航段上，无法影响后机.根据2.1.2小节中的分析，分别考虑尾流的侧移受或不受地面效应影响时，尾流在参考点1、2的最大侧移距离D1、D2为：

以上三式中：b0为前机产生尾流的起始涡距；w1、w2为参考点1、2的正侧风风速；v1、v2为参考点1、2无侧风影响下的尾流侧移速度；t1、t2为前后机在参考点1、2的最大时间间隔；b为前机翼展长度.

若要使后机安全离场，则D1、D2应满足：

其中：D为近距平行跑道中心线间距.

依据式（1）～（6）可以得出最大正侧风风速.

侧风条件会以正侧风风速为基础得到，侧风条件与正侧风的关系见图4.

图4　侧风示意图

由勾股定理可以得出侧风风速的计算公式为：

其中：w为侧风风速；w0为正侧风风速；α为侧风与后机航向道的夹角，即风向.w0取最大值时，得出能运行近距平行跑道配对离场程序的侧风条件.本文得出的侧风条件仅针对于近距平行跑道配对离场程序，运行近距平行跑道配对离场程序还需同时满足机场规定的最低天气标准.

3　实例分析

上海虹桥国际机场，是我国目前最大的国际航空港之一，现有两条平行跑道，跑道中心线间距D 为365 m，跑道号为18L/36R、18R/36L，长度分别为3 400m与3 299m，跑道头的错开距离C为100 m，其中北面方向的跑道头是对齐的.选取前机为重型机B747-400，其翼展b为64.4 m.若采用近距平行跑道配对离场模式，前后机的起始时间间隔T0为30 s，基于本文2.1节的分析，参考表1、2的数据，依据式（1），同时考虑跑道头错开距离和安全缓冲时间得出配对离场前后机在通过参考点1、2的最大时间间隔为50 s和68 s.将其分别代入式（2）和式（3），并结合式（4）～（6）计算可得w1约为3.3 m/s，w2约为3.9 m/s.取两者中较小值作为正侧风风速的最大值，即w0max=3.3 m/s.最大侧风风速的值由α和w0max决定，例如当α=30°时，由式（7）得出最大侧风风速为6.6 m/s，即此时能够采用近距平行跑道配对离场模式的侧风风速不能大于6.6 m/s.

近距平行跑道配对离场程序的侧风条件与跑道中心线间距、跑道头错开距离、前机机型等因素有直接联系，对于不同的给定条件可以依据以上计算方式得出能够运行近距平行跑道配对离场程序的侧风条件.

4　结语

本文首先系统地介绍了近距平行跑道配对离场模式，总结了机场运行近距平行跑道配对离场程序的三个最关键因素.参考相关数据，将前后机的起始时间间隔设定为30 s.随后考虑到配对机离场时间间隔的变动，基于尾流的地面效应，在配对机离场航段上设置了两个参考点，为得到最大正侧风风速，分析了配对机在两个参考点的最大时间间隔.以前机产生的尾流不影响后机的正常离场为安全目标，确定了机场能够运行近距平行跑道配对离场程序的侧风条件.以上海虹桥国际机场为例，得出配对机在两参考点的最大时间间隔分别为50 s 和68 s，最大正侧风风速为3.3 m/s.

近距平行跑道将会是中国大中型机场的重要组成部分之一，采用近距平行跑道配对离场模式能更好地利用跑道.本文主要研究了该模式在实际运行时需要考虑的最关键因素，为未来实际运行近距平行跑道配对离场程序提供了理论基础，对提高机场容量具有重要的指导意义.

［1］JANIC M.Modelling the capacity of closely-spaced parallel runways using innovative approach procedures［C］//Transportation Research Part C Emerging Technologies，2008：704-730.

［2］ AUDENAERD L，DOMINO D，LANG S，et al.Increasing airport arrival capacity in NextGen with wake turbulence avoidance ［C］//Integrated Communications，Navigation and Surveillance Conference，2009：1-15.

［3］ROSSOW V，MEYN L A.Guidelines for avoiding vortex wakes during use of closely spaced parallel runways［J］.26th AIAA Applied Aerodynamics Conference，2008.

［4］武丁杰.近距平行跑道容量评估与优化［J］.中国民航飞行学院学报，2014，25（1）：22-25.

［5］周彬.飞机尾流的微结构特征及散射特性研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2009.

［6］徐肖豪，赵鸿盛，王振宇.尾流间隔缩减技术综述［J］.航空学报，2010，31（4）：655-662.

［7］LUNSFORD C R.A concept for pairing departures from parallel runways for wake avoidance［C］//Integrated Communications，Navigation and Surveillance Conference，2008：1-7.

［8］ROBESON I，CLARKE JP.A departure regulator for closely spaced parallel runways［J］.Digital Avionics Systems Conference IEEE/AIAA，2010，52（178）：2.C.3-1-2.C.3-11.

［9］ZHANG Z，DAIX，LIU J，etal.Model of paired departure from closely spaced parallel runways［C］//International Conference on Computer&Communication Technologies in Agriculture Engineering，2010（1）：279-282.

［10］田勇，孙佳，万莉莉，等.近距平行跑道间隔确定方法［J］.交通运输工程学报，2013，13（1）：70-76.

［11］冯志勇.尾流对飞行的影响及安全间隔研究［D］.成都：西南交通大学，2007.

［12］中国民用航空总局空中交通管理局.飞机数据性能手册［R］.北京：中国民用航空总局，2000.

［13］朱代武，何光勤.目视和仪表飞行程序设计［M］.成都：西南交通大学出版社，2004.

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.