我国近距平行跑道运行优化研究

何德暘

摘要：随着我国民航运输产业的快速发展，航空公司机队规模的不断增加，国内的机场变得越来越繁忙，无法容纳更多飞机的起降，其容量已达到了饱和状态，许多机场开始建设近距平行跑道提升跑道的容量。但是，当前我国现行的尾流标准主要是按照航空器的最大起飞重量进行航空器分类然后给出不同类别下的间隔标准，该标准已经无法满足机队规模增加的需要。因此，欧洲和美国都提出了航空器重新分类（RECAT）的概念，并在一些机场试行。该方案是将航空器重新分类，通过缩小前后航空器之间的尾流间隔，提升航空器的进离场架次，提升跑道容量，达到机场运行优化的目的。

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.

关键词：机型分类;跑道容量;尾流间隔;运行优化

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

中圖分类号：V351.11                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）16-0030-03

0  引言

近距平行跑道已经在我国的许多机场投入运行，但是对民航运输发展贡献度不高，其运行模式仍主要是隔离运行模式，跑道的起飞和着陆间隔之间的尾流标准却仍然是单跑道的运行标准，根本无法完全达到使用进近平行跑道能够增加容量，提升机场的运行效率。例如，虹桥机场虽然已经建成了近距的平行跑道，但并没有采用近距跑道的运行模式;而重庆机场，由于对运行模式的不确定性，导致两条近距跑道容量甚至达不到单跑道的容量[1]。这也带来了资源的浪费，航班延误，机场运行效率降低，管制员负荷增加。

近距平行跑道（Closely Spaced Parallel Runways， CSPR），又称窄距平行跑道，是指两条平行跑道中心线间距不大于2500ft（约762m）的跑道对[2]。与单跑道和独立运行远距平行跑道相比，具有投资小，占地少，成本低等特点，逐渐被广泛采用。上海虹桥机场是我国最先使用近距平行跑道的机场，运行方式是一条主要用于起飞，另一条主用于降落，隔离平行运行模式，无法满足日益増长的航班起降量，且近距平行跑道就不能发挥运行优势和最大的经济效益。

决定双跑道机场容量的因素之一是飞机之间前后的最小间隔，而间隔标准则受到空中交通管员的监视能力和尾流间隔。随着航空器重新分类（RECAT）在美国和欧洲的逐步推广和应用，已逐渐成为未来空管的重要发展方向之一。面对我国大型机场推广近距平行跑道的建设，却仍然面对容量提升所带来的压力，开展RECAT技术的研究，进而得到不同分类组合下的间隔标准。对航空器进行重新分类，缩减前后机的尾流间隔，能够进一步提升跑道容量，降低管制员工作负荷，优化机场运行效率。

目前RECAT技术在国外正在开始进行试运行，相关的文献资料主要单纯的集中在对RECAT本身的研究，如何缩短尾流动态缩减和欧美的间隔标准差异研究。如Proctor等解释了尾流消散进程不确定性以及开创了尾流的消散模型，解释了其消失现象。徐萧豪等提基于滚动比例的概念下飞机尾流问题的研究。王凤婷，以军用航空器为分析对象，研究基于军队航空器尾流性质的试验结果。而于双跑道容量评估来说，仍是利用旧的尾流间隔进行机场的容量评估。本文将RECAT技术和近距平行跑道结合，利用新的航空器分类和尾流间隔标准建立容量模型，进行评估。

1  基于RECAT技术航空器重新分类

1.1 我国现行航空分类

由于固定翼飞机翼尖扰乱空气流动形成尾流，前面飞机在滑跑、飞行和降落时，后机很容易受到前机尾流的干扰，特别是在进近阶段，引起滚动。随着空客A380的使用，会制造更大的尾流，导致繁忙机场的流量受到这种超大民用航空运输机的影响，需要重新设计新的尾流间隔标准[3]来满足复杂的航空器类型。

目前的航空器分类都是通过最大起飞重量，划分为重、中、轻三个级别[4]。如表1所示，但该分类标准过于保守，存在缩减尾流间隔的潜力。

1.2 RECAT重新分类

欧盟于2007年提出了RECAT飞机重新分类的概念，即航空器不再根据最大起飞重量作为其分类标准，而是将航空器的速度、展弦比、重量等全方位考虑，重新计算每个类别组合下的安全间隔，重新划分为六种类型[5]。2011年ICAO的第十二次空中航行会议中，提出RECAT研究分为三个阶段。

第一阶段：将航空器重新分成六个类型，以达到最合理的分类方式，分别用英文A到F表示，如表2所示。

第二阶段：在根据尾流标准进行分类后重新计算航空器的间隔，保证前机与后机对应的最小尾流间隔，使每组航空器都有相对应的最小间隔标准。第三阶段：使用整个动态组合下的航空器尾流间隔，根据航空器的重量、指标参数、航空气象等参数，能够实时动态检测，获得实际应用中两架飞机的尾流间隔[6]。

以美国孟菲斯机场运行RECAT为例，美国孟菲斯机场是世界上第一个实施RECAT运行的机场。经过六个月的实验，美国联邦航空局组织MEM塔台，美国联邦快递公司和其他机构，对六个月时间内的机场容量和运行能力进行了综合评估。MEM塔台统计出航空器离场通行能力增加了22%，进场的通行能力增加了15%左右，航空器的等待离场时间大幅减少。MITRE公司数据显示实施RECAT技术后，85%的航空器间隔会缩短。飞机的离场平均滑行时间缩减了2min，离场的排队时间缩减了38%。在高峰时段的飞机离场容量平均每小时增加了7个架次，吞吐量增加13%，离场时间间隔减少16%[7]。RECAT在欧洲的一些机场运行结果表明，实施新的RECAT技术后，跑道容量和机场运行效果和跑道容量立即得到提高。能够减少飞机离场的总时间和总飞行时間，降低延误率。

因此相较于现行的基于最大起飞总量对航空器进行分类，试行的RECAT尾流进行分类能够提升跑道容量，表3为基于REACAT航空器重新分类对比，A包含的是AN-225、 A380等超大型飞机，F表示的是小型飞机E120等。

2  上海虹桥机场运行模式

上海虹桥机场，是我国大型枢纽机场。如图1所示，为虹桥机场跑道示意图。两条跑道分别为RWY18L/36R，长3400米，宽60米，RWY18R/36L，长3300米，宽45米，北端齐平，两条跑道间距365米，为近距平行跑道，主要运行模式为隔离平行运行模式，两条跑道间距365米，其中跑道RWY18R/36L主要用于起飞;RWY18L/36R主要用于降落，经管制员许可可用于起飞[8]。隔离平行运行时的着陆航空器、起飞航空器的间隔需满足单跑道间隔标准。

3  建立跑道容量评估模型

3.1 跑道容量模型建立

根据虹桥机场的运行模式，目前近距平行跑道的容量模型能够近似于单跑道容量的模型，通过计算单跑道的进场容量与改进尾流标准下的容量对比。

单跑道进场容量模型的前提条件是：

①跑道的几何构型确定;

②航空器的进行下滑角为3°;

③两条跑道同时只能有1架飞机占用;

④两架飞机进场时，无航空器跑道起降。

3.2 基于RECAT尾流的近距平行跑道容量模型

本文考虑在进场情况下基于RECAT的尾流间隔分类标准建立跑道容量模型[9]。P为所有航空器都会经过的公共下滑道入口点，M为跑道的入口，X和Y分别相继进近的飞机，L为进近着陆公共下滑道长度。根据图2所示，若前机的速度小于后机的速度，则相互距离会不断减少，这样在跑道入口航空器之间的距离最小，并且需要在入口点保证两架飞机的最小间隔;如果前机的速度大于后机，前机和后机的距离则会不断增加，则在P点会有最小间隔，在两机速度一样则按照在跑道入口处在达到最小间隔时，建立模型：

式中，CA为跑道进场容量;t为前机为X，后机为Y陆续经过跑道入口的时间间隔;pXY为前机X，后机Y所占比例;vX，vY为前机为X，后机为Y最后进近着陆时的平均速度;RaX为X类飞机跑道占用的平均时间;wXY为不同类型飞机间所实施的尾流间隔。通过对航空器重新分类后得到的新标准，对近距平行跑道进行容量研究。实施RECAT之前，以及实施之后进行比较跑道容量。

4  上海虹桥机场运行效率对比

通过调研选取上海虹桥机场2018年11月13日进场航空器类型为数据进行计算，通过现行的尾流间隔和RECAT尾流间隔获得进场容量进行比较分析。

根据2018年上海虹桥机场到达航空器使用RWY18L/36R跑道为例，通过统计所得该跑道2018年11月13日航空器进场的总架次数为552架次/h，求得平均每小时的进场架次数为架23次/h。以及进行RECAT分类得到虹桥机场统计时间内各种航空器类型的所占的百分比如表4所示。

根据表5各类飞机的平均进近速度

根据一起一降跑道容量模型和现行尾流间隔计算，最后进近航段长度为12km，着陆跑道平均占用时长为1min，通过结合RECAT分类前后的各种机型的速度，各时段航班到场百分比，以及尾流间隔都是已知的。

因此虹桥机场在隔离平行运行模式下的到达容量为23架次/h。而基于RECAT尾流间隔标准所计算出的每小时进场的架次数为27架次/h由计算结果可知实施RECAT尾流间隔后跑道实际容量平均增加了约14%。

5  结论

根据计算得出结论：与现行的标准对比，在RECAT运行模式下的机场进场容量是增加的，能够提升机场的运行容量优化运行效率，对于繁忙的虹桥机场来说能够降低管制员工作负荷，提升进场的运行效率。

随着国内近距平行跑道的使用增加，相较于我国现行的航空器分类标准，在RECAT标准运行下，能够提升机场容量，优化运行效率，这是我国近距跑道机场运行模式的未来发展方向，对于我国空管发展也有重要意义。

参考文献：

[1]武丁杰.近距平行跑道容量評估与优化[J].中国民航飞行学院学报，2014，25（1）：22-28.

[2]Federal Aviation Administration. Airport Design，Advisory Circular AC150/5300-13[R].Washington：Federal Aviation Administration，2008.

[3]聂润兔，李冰冰.尾流分类新标准（RECAT）对跑道容量影响分析[J].航空计算技术，2015，45（4）：4-7.

[4]中国民航局.CCAR-93TM-R2. 中国民用航空空中交通管理规则[S].北京：中国民航局，1999.

[5]Wendeberg S. Airport Capacity Effects of RECAT or： An Airport View on RECAT[R]. Berlin： WakeNet -3 Europe RECAT Workshop at TU Berlin，2011.

[6]Federal Aviation Administration. SAFO12007. Recategorization（RECAT） of FAA Wake Turbulence Separation Categories At Memphis International Airports（ MEM） [R]. Washington，DC： Federal Aviation Administration，2013.

[7]Steven Lang，Clark Lunsford. Federal Aviation Administration，RECAT I： Lessons Learned from MEM[R].Europe：WakeNet-Europe Workshop，2013.

[8]韩丹.上海虹桥机场近距平行跑道配对进近可行性研究[D].中国民航飞行学院，2016.