基于动态尾流间隔的机场运行容量提升研究

蒋豪　陈亚青

摘要：空域資源的短缺制约着我国民航发展，现存的尾流间隔标准不够精细。美国FAA已对尾流间隔进行重新分类，ICAO发布的ASBU计划将对尾流的进行重新分类。在保证安全前提下，探索适合中国民航的更为精确的尾流间隔标准，可为提高空域资源、机场容量提供参考与技术支持。

关键词：动态尾流间隔;机场容量;ASBU;RECAT

0  引言

日前空域资源严重短缺，无疑是制约民航发展的主要瓶颈。越是航空运输繁忙的地区，越是民航业发展较快的地区，空域资源不足的问题越为突出。随着我国大型枢纽机场拥堵趋势日益加剧，不少机场纷纷修建新跑道，考虑到节约用地及其他原因，一些机场只能修建近距平行跑道（跑道中心线距小于760米）。但按照我国现行间隔标准，近距平行跑道跑道运行间隔只能按照单跑道运行实施，使得近距平行跑道未发挥其最大作用，对机场容量提升的贡献度有限，未能有效解决空域资源的短缺问题。

毫无疑问，优化现行的尾流间隔标准，能够提高机场运行效率，切实提高民航现有可用空域使用效率，作为推进民航供给侧结构性改革、实现行业提质增效的突破点，促进我国民航整体水平的提升，确保民航强国战略目标顺利实现。

1  国内外运行现状

目前，大多数国家按照国际民航组织在DOC4444—《空中交通管理》中对尾流间隔的划分标准对航空器之间的间隔进行管理。同时，欧美航空发达国家或组织有自成一体的整套尾流间隔标准，在其所管辖范围内实施。国际上对航空器尾流间隔标准的划分，主要分为以下几类。

1.1 国际民航组织的尾流间隔标准

ICAO在《空中交通管理》（DOC4444）中对雷达尾流间隔标准如表1所示，也是大多数国家所采用的的三类尾流间隔标准。

1.2 美国尾流间隔标准

FAA于2012年10月18日发布了运行安全告警（Safety Alert for Operators：SAFO），对孟菲斯国际机场率先实行新的雷达尾流分类标准。经过FAA以及欧洲航空安全组织的尾流方面和安全风险方面专家对尾流间隔数年的共同研究，FAA于2015年在JO7110.659B中批准通过了新的雷达尾流间隔标准，并于3月1日在全美符合条件的机场开始实施。重新分类的尾流间隔标准在原来尾流间隔标准的基础上，充分利用了尾流的物理性质，基于航空器重量、进近速度、机翼特征以及航空器承受尾流强度的能力，共分为6类（A-F）。常见机型分类如表2所示，重新分类的尾流间隔标准如表3所示。

在JO7110.659B中，对单跑道或者中心线距小于2500英尺（约760m）的平行跑道上执行目视或仪表飞行规则的航空器起飞间隔如表4所示。

另外，从2011年起，美国3个机场对离场尾流缓解系统进行了运行验证，旨在当跑道侧风足够强且持续时间较长时，一架重型航空器在顺风跑道上离场之后，逆风平行跑道上离场的航空器无需等待目前规定中的两至三分钟。通过对跑道侧风的实时监测，指导管制员何时取消两至三分钟的尾流间隔以及何时启用此间隔。这种动态间隔有效提高了跑道容量，使延误水平大大降低。

1.3 欧洲航空安全组织的尾流间隔标准

欧洲航空安全组织（European Organization for the Safety of Air Navigation，简称EUROCONTROL）经过数年研究，于2015年7月发布了欧洲新型航空器尾流间隔标准（European Wake Vortex Re-categorisation，简称RECAT-EU），其中对航空器进行了重新的分类（详见图1），尾流间隔标准如表5、表6。目前，新型尾流分类标准已应用于法国的戴高乐和布尔歇机场，并取得了良好效果。

1.4 我国尾流间隔标准

我国参照DOC4444中的雷达尾流间隔标准，在2000年颁布的《中国民用航空空中交通管理规则》中，对航空器尾流间隔的规定如表7所示;2008年下发的《空中客车A380机型尾流类型及尾流间隔标准的规定》中规范了A380-800机型配备的尾流间隔标准。此外，当前机是波音757时，按照重型机的尾流间隔标准执行。

为了进一步提高大型枢纽机场的运行能力，在2013年发布的《优化空中交通管制运行规范的暂行规定》中指出，为年旅客吞吐量1000万人次以上的机场提供进近雷达管制和机场塔台管制的单位，可使用目前ICAO在《空中交通管理》中规定的雷达尾流间隔标准。

我国与FAA及EUROCONTROL的分类标准有所不同，但整体上我国的雷达尾流间隔比FAA稍大，在更大程度上确保了运行的安全，同时也降低了跑道和空域的使用率。

可见，我国现行尾流间隔标准未能充分提升机场跑道容量及空域容量，造成资源浪费。因此，为解决机场运行效率和我国现有空域使用效率问题，寻求新型尾流间隔已成为亟需解决的难题。基于计算机技术的不断发展、计算流体力学的进步以及观测手段的丰富，研究发现现行的基于距离的尾流标准仍有较大余量。因此，动态尾流间隔的概念应运而生。

动态尾流间隔旨在通过预测前机尾流的位置、强度，将后机遭遇尾流的风险控制在可接受的范围之内，从而达到缩减尾流间隔、提高机场容量的目的。

2  国内外尾流间隔的发展

趋势

国际民航组织在航空系统组块升级（ASBU）中明确提出在2013年开始实施的ASBU模块B0-WAKE中通过优化尾流间隔提高跑道吞吐量，即通过优化尾流间隔标准、修订航空器尾流等级和程序提高进离场跑道的吞吐量。

在计划于2018年开始实施的模块B1-WAKE中，提出通过动态尾流间隔提高跑道吞吐量。预计在要素1中将新型尾流最低间隔标准扩充至航空器型别尾流间隔双机配组的静态前机/后机双机矩阵。国际民航组织计划于2016年之前批准使用该矩阵。要素2拟通过对尾流间隔的适用方式加以修改，增加一些机场的中心线间隔小于760米（2500英尺）的平行跑道和单跑道上的进场运行数。则ATC系统需具备进场尾流缓解（Wake Turbulence Mitigation for Arrival：WTMA）能力。要素3是在提高WTMA预测能力的情况下，制定离场尾流缓解程序，以便能安全地增加中心线间隔小于760米（2500英尺）的平行跑道机场上的离场容量。

这些模块升级，使得终端区可以在某些情况下使用降低的尾流标准和合理程序。基于所制定的标准，可安全地对最低间隔标准及其适用情况进行修改，从而使机场容量逐步增加。ICAO预期通过这些组块升级使各成员国能够根据各自的运行要求提高机场运行效率、空中交通容量，使所有成员国和利益相关方能够实现全球统一化。

中国民航“十三五”也做了相应的规划——全面应用国际民航组织新型尾流间隔标准，开展动态尾流间隔应用研究。

3  国内外研究现状

尾流是航空器在飞行过程中在其尾部形成的气流，飞机穿越尾流区时可能在短时间内造成大幅度颠簸，掉高度，机翼载荷突变，轻者让飞行人员操纵困难，旅客不适，严重时可能导致机体结构的损坏，酿成灾难性后果。因此，其运动特性是制定间隔标准的重要参考因素。国外涉足该方面的研究较早，前期针对尾流的运动特性进行了大量的研究工作，提出了尾流的消散和预测模型[1][2][3][4]。

在此基础之上，2007年德国宇航中心设计开发了尾流预测与监控系统[5]。该系统可依据特定的天气条件与尾流特性，在不影响安全的前提下动态调节尾流间隔。并在法兰克福机场得到了成功应用，使机场容量增强3%以上;为东京国际机场的曲线进近程序提供依据，使其容量提升约12%[6]。于2009年，该机构又开发设计了航空器尾流情境仿真模型[7]，实现了对尾流遭遇的严重性进行评估。2010，德国鲁尔大学开发了“三维空间+时间”的尾流4D预测模型[8]，可模拟航空器在既定飞行路线上尾流传播与衰减。

NASA结合大量实测数据，于2000年成功研制了尾流间隔系统[9]，并在达拉斯机场进行多次试验后表明可有效缩短单跑道着陆间隔，容量提高6%，延误降低约40%[10]。

国内对动态尾流间隔也进行了相应的研究，但是对于间隔的基础理论研究相对较少。北京航空航天大学的刘宝杰、南京航空航天大学的胡军等对尾流对间隔的影响以及尾流标准的对比分析[11];2007年，西南交通大学的冯志勇提出了混合起降尾流间隔[12];2010年，徐肖豪等人用大涡模拟方法发现了在涡对卷起之前的不对称性和Crow關联发生后涡对消散的不对称性，并分析了其原因[13];同年，张兆宁和张彬建立了纵向尾流间隔计算模型[14];2014年，王菲等人分析、总结了国内外缩减尾流间隔技术，指出目前研究的热点集中于动态尾流预测[15]。

4  动态尾流间隔在我国实施的建议

为了促进动态尾流间隔在我国的尽快实施，应着力从以下几个方面逐步推进：①民航局应大力鼓励和支持国内外有关单位对实施动态尾流间隔管理的研究和资金投入;②各地区管理局应转变固有思维方式，加强对先进技术的学习，同时支持对实施动态尾流间隔管理研究的协调工作;③从事该方面研究的单位或机构应对我国民航尾流间隔标准与国际上的尾流标准进行深入的对比和分析，应对国外运行和研究经验丰富的单位或机构进行实地考察和学习，从源头上找到问题关键所在;④从事动态尾流研究工作的科研团队应由一支拥有丰富的一线运行经验、扎实的民航基础知识和严谨的逻辑计算能力、推理能力和较强的编程能力的民航背景人员组成;⑤保证管制安全运行前提下，大胆创新，突破思维玻璃天花板，研究与尾流相关的其他运行模式，如起飞飞机后侧穿越等。

5  总结

国外研制的动态尾流间隔系统现处于应用的初级阶段，即在有利侧风的影响下，在上风跑道着陆的航空器不再受限于近距跑道运行下风向跑道航空器的尾流间隔要求。目前，国外相关机构又在进行基于时间的高级尾流间隔系统研究，并且范围从近距跑道扩展到单跑道。

伴随中国民航的不断发展和壮大，我国大型枢纽机场众多且不断增加，及时开展动态尾流研究，在保证安全的前提下，促进动态尾流间隔标准的实施，缩小着陆航空器的尾流间隔，缓解枢纽机场日益拥堵的情况，提高我国机场运行效率，切实提高民航现有可用空域使用效率，早日形成民航发展“量大质优”的新形态，确保民航强国战略目标顺利实现。

参考文献：

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[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间隔研究[D].南京：南京航空航天大学，2001.

[12]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.

[13]徐肖豪，赵鸿盛，杨传森，等.飞行进近中尾流的大涡数值模拟[J].南京航空航天大学学报，2010，42（2）：179-184.

[14]张兆宁，张彬.纵向尾流间隔计算方法研究[J].中国民航大学学报，2010，28（5）：10-12.

[15]王菲，张军峰，葛腾腾.终端空域尾流间隔缩减研究综述[J].交通信息与安全，2014，6（32）：15-21.

基金项目：民航安全能力建设资金（TM2018-3-1/2）;中国民航飞行学院青年基金项目（Q2016-114）。

作者信息：蒋豪（1989-），男，四川雅安人，硕士，助理研究员，中国民用航空飞行学院。