极速3D

交通技術  >> Vol. 9 No. 3 (May 2020)

基于民航多種跑道運行模式下軍航中距雙跑道應用探究
Research on the Application of Middle Distance Dual Runway Based on Multiple Runway Operation Modes of Civil Aviation

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作者: 耿祥輝, 沈 堤, 任天威:空軍工程大學,陜西 西安

關鍵詞: 軍用機場雙跑道運行模式Military Airports Dual Runway Operating Mode

摘要: 軍航建立雙跑道并實現其在現代軍事環境下的安全高效運行,是提升軍用機場容量和戰時抗毀傷性,滿足多機種、高強度、大飛行流量需要的重要方式之一。由于軍用中距雙跑道機場的建設和運行正處于初期發展階段,各個基礎設施和運行機制并不健全,為更好地促進中距雙跑道機場戰斗力迅速生成,探索一條符合作戰實際的中距雙跑道發展之路,本文立足民航不同模式下中距雙跑道運行實例,對比并結合軍用機場實際,使用數學模型的方法對跑道容量進行評估。并在多個運行模式下的跑道容量對比分析的基礎上,提出了未來軍航中距雙跑道運行的實施建議,為其發展與應用提供了一定借鑒意義。
Abstract: The establishment of dual runways and their safe and efficient operation in the modern military environment is one of the important ways to improve the capacity of military airports and their anti-damage capability in wartime, and to meet the needs of multiple models, high strength and large flight flow. As the construction and operation of the military middle distance dual runway airport is in the initial stage of development, the infrastructure and operation mechanism are not perfect. In order to better promote the rapid generation of combat effectiveness of the middle distance dual runway airport and explore a development path of the middle distance dual runway that is in line with the actual combat situation, this paper evaluates the runway capacity by using mathematical models based on the operation examples of the middle distance dual runway under different modes of civil aviation, comparing and combining with the actual situation of the military airport. On the basis of comparative analysis of runway capacity under multiple operation modes, the implementation suggestions for future military middle distance dual runway operation are put forward, which provides some reference for its development and application.

文章引用: 极速3D 耿祥輝, 沈堤, 任天威. 基于民航多種跑道運行模式下軍航中距雙跑道應用探究[J]. 交通技術, 2020, 9(3): 207-215.

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1. 前言

在國家航空事業大發展的情況下,全國各地運輸繁忙城市都修建有多跑道機場,其中具有代表性的有北京大興機場,上海浦東機場,西安咸陽機場等,雙跑道機場極大地擴充了機場的運輸容量,大大緩解了單跑道的運行壓力,也進一步助力于地方經濟發展,具有重要意義。

目前,國內外對跑道容量的評估模型研究對象多為民航,2003年,蔣兵等研究了多跑道系統容量問題 [1];2005年,陳勇建立了系統的平行跑道容量模型,并對首都國際機場平行雙跑道進行了容量評估 [2];2012年,徐肖豪等對不同運行模式的近距平行跑道容量進行了分析 [3];2016年孟祥偉等研究了近距平行跑道最大容量模型 [4]。而對軍航雙跑道的理論研究較少。軍航雙跑道的理論探究與實際應用仍處于初級階段,各項制度還不健全。近年來,隨著軍航迅速發展,逐步出現戴喆等人對軍用雙跑道的應用需求的闡述與運行模式的初步探索 [5],李捷等人對信息化條件下雙跑道基地化保障 [6] 進行研究,提出了信息化條件下保障軍用雙跑道作戰的應用方案。

國內民航機場的雙跑道大多采用遠距雙跑道,以此便于雙跑道獨立運行,最大限度擴充機場容量,但對于軍航應用而言,遠距雙跑道距離過遠不利于地面機動,且占地面積過大,效率不高,而近距雙跑道由于距離過近,實際運行要受到頗多限制且對導航設備要求較高。綜上,中距雙跑道因其占地面積小,地面反應迅速,結構緊湊,擴建成本較低,使用靈活而更受到軍航青睞。本文通過建立不同運行模式下中距雙跑道模型,結合實際運行數據,得出并對比不同運行模式下的容量差異,總結探索出軍航未來的應用可能。

2. 平行雙跑道運行模式

根據國際民航組織規定,平行跑道是指跑道中心線平行或夾角小于15˚的非交叉跑道。

极速3D2.1. 民航雙跑道運行模式的確定

极速3D民航跑道運行模式的確定受多種因素影響,包括跑道的中心線間距,跑道的數量,航站樓的位置,機場服務的航空器數量和航班流的分布。跑道運行模式的確定決定了機場的運行容量,對周邊附屬環境的要求,機場運行的安全性和效率 [7]。

2.2. 軍航雙跑道運行模式的確定

极速3D參考民航雙跑道的不同跑道運行模式,將軍航雙跑道的運行模式大致分為四種模式:第一,一起一降模式;第二,兩起一降模式;第三,兩降一起模式;第四,兩起兩降模式。顯然,隨著每條跑道逐步由單一起飛或著落到雙跑道的混合運行,跑道運行容量也相應提高,同時各種跑道運行模式對管制人員,導航設備,機場保障等的要求也不盡相同。

相對于民航的四種運行模式下,軍航也有其特殊性。不同于民航進近適用于儀表飛行規則下的飛行,軍航將適用于目視飛行規則和儀表飛行規則下的所有飛行。實施目視飛行規則的情況下,也將有利于進一步縮短空中航空器之間的間距,從而增加跑道容量。而是否實施目視飛行規則,取決于飛行指揮員在確保航空器飛行安全的前提,對飛行任務,飛機性能,空勤人員技術水平的具體把握。因此,本文立足于儀表飛行規則下進行雙跑道容量評估,以求在一般情況下解決實際問題。

极速3D3. 中距跑道容量分析

中距雙跑道就是兩跑道中心線間距為大于762 m/2500ft,小于等于1311 m/4300ft的雙跑道。在儀表和機場周圍環境都理想的條件下,兩條跑道的到達流相關,到達流與起飛流相互獨立 [8]。因此,可將跑道的運行模式分為:① 一起一降模式:一條跑道用于降落,一條跑道用于起飛;② 兩起一降模式:一條跑道用于起飛和降落,一條跑道用于起飛;③ 兩降一起模式:一條跑道用于起飛和降落,一條跑道用于降落;④ 兩起兩降模式:兩條跑道都用于起飛和降落。

3.1. 一起一降模式

极速3D在建立模型之前,需要作出如下假設:(一) 雙跑道機場的導航設施健全并且足夠精確,適合航空器進行適合該模式運行的雷達管制條件;(二) 發布落地許可前,道面是干凈的,平整的,適合于所有種類的航空器。

設單跑道到達容量為 C A I

若后機與前機在空中的間隔時間小于前機著陸過程中跑道占用時間,則將飛機間的間隔時間調整為前機的跑道占用時間,得到:

T i j ( A I ) = max ( T a t a k e , T a min ) (1)

极速3D將連續、相繼到達的飛機對在跑道入口的間隔時間進行加權求和得到跑道平均服務時間:

E [ T ( A I ) ] = i = 1 n j = 1 n p i j T i j ( A I ) (2)

其中, E [ T ( A I ) ] 為跑道對到達飛機的平均服務時間; p i j 為飛機j在飛機i之后的概率。假設飛機隨機

排序,則 p i j = p i p j i = 1 n j = 1 n p i j = 1 p i j 0 极速3D。計算跑道對到達飛機平均服務時間的倒數,即單跑道的到達

容量:

C A I = 1 E [ T ( A I ) ] (3)

設單跑道離場容量為 C D E

若飛機間的最小起飛時間間隔小于前機的跑道占用時間,則將飛機間的間隔時間調整為前機的跑道占用時間,得到:

T i j ( D E ) = max ( T d t a k e , T d min ) (4)

极速3D將連續、相繼起飛的飛機對開始滑跑的間隔時間進行加權求和得到跑道平均服務時間:

E [ T ( D E ) ] = i = 1 n j = 1 n p i j T i j ( D E ) (5)

其中, E [ T ( D E ) ] 為跑道對起飛飛機的平均服務時間; p i j 极速3D 為飛機j在飛機i之后的概率。假設飛機隨機

排序,則 p i j = p i p j i = 1 n j = 1 n p i j = 1 。計算跑道對起飛飛機平均服務時間的倒數,即單跑道的離場

容量:

C D E = 1 E [ T ( D E ) ] (6)

由于一起一降中距雙跑道的兩跑道的到達流相關,而一起一降僅有一條到達流,因而,兩跑道起飛和到達獨立運行,此時,雙跑道容量相當于一條單跑道全進場,一條單跑道全離場的容量之和:

C Y Q Y J = C D E + C A I (7)

3.2. 兩起一降模式

單跑道混合容量 C H H 為:

由于跑道混合運行時,到達飛機具有較高優先級,因此,在建立單跑道混合模型時,是基于機場到達容量之上,在到達飛機之間插空加入起飛飛機,從而得到單跑道混合運行的跑道容量:

C H H = C A I ( 1 + i = 1 n j = 1 n p i j θ i j max ) (8)

式中, θ i j max 為到達飛機i和j之間可以插入的最大起飛飛機數量, i = 1 n j = 1 n p i j θ i j max 為一對到達飛機之間插入

的平均起飛飛機數量。

极速3D對于兩起一降中距雙跑道而言,兩跑道的到達流相關,而其只有一條到達流,因而,兩跑道的起飛和到達獨立運行,而其中一條跑道用于起降的混合運行 [9],此時,雙跑道容量相當于一條單跑道全離場容量與一條單跑道混合運行容量之和:

C L Q Y J = C D E + C H H (9)

3.3. 兩降一起模式

但兩條跑道都用于降落時,由于到達流相互影響,平行雙跑道采用相關平行進近方式,如圖1所示,圖中為平行跑道簡易圖,分別為2號和3號跑道,模擬兩跑道上相繼到達飛機的空中間隔,相對于機場而言,i機為首先準備著陸飛機,k機次之,j機在k機之后。

Figure 1. Related parallel approach mode

圖1. 相關平行進近方式

圖中D為跑道中心線距離,S為在相鄰儀表著陸系統(ILS)航向道上連續進近的飛機的斜距間隔規定, δ 1 δ 2 分別為前機i與相鄰跑道上的后機k和前機k與相鄰跑道上的后機j沿跑道方向的縱向最小間隔。同一跑道相繼到達飛機對i,j在跑道入口處的時間間隔為:

T i j ( A I ) = max { T a f o l l o w T a t a k e T a i g + T a g j (10)

式中, T a f o l l o w 為相繼到達飛機的時間間隔規定, T a t a k e 為相繼到達飛機跑道占用時間規定,設 δ 2 = S 2 D 2 ,根據單跑道運行間隔模型中關于具有隨機屬性的間隔描述可以分別得到 T a i g T a g j ,則在同一條跑道上對到達飛機的平均服務時間為:

T ( A I ) = E [ T i j ( A I ) ] = i = 1 n j = 1 n g = 1 n p i j p g T i j ( A I ) (11)

其中, p g 為飛機g類型的比例。

极速3D則其中一條跑道的降落容量為:

C ( A I ) = 1 T ( A I ) (12)

θ i j max 极速3D 表示同一條跑道上的一對降落飛機間可以插入的最大起飛飛機數,則當一條跑道用于起飛/降落混合操作,另一條僅用于降落時的容量為:

C Y Q L J = C ( A I ) ( 2 + i = 1 n j = 1 n p i j θ i j max ) (13)

极速3D3.4. 兩起兩降模式

极速3D當兩條跑道都進行混合起降運行時,兩條跑道的起飛流獨立,一條跑道的起飛流與另一條跑道的到達流獨立,可以在同一條跑道的到達飛機之間插入起飛飛機,不用考慮相鄰跑道起飛飛機和到達飛機的影響 [10]。因此,在參考單跑道混合起降模型與上述雙跑道一起兩降模型的基礎上,得到兩條跑道都用于起降時的容量為:

C L Q L J = 2 [ C ( A I ) ( 1 + i = 1 n j = 1 n p i j θ i j max ) ] (14)

4. 實例分析

4.1. 容量分析

极速3D本節以某軍用中距雙跑道機場為例,進行跑道容量分析。

設某軍用中距雙跑道機場有輕型機,中型機,重型機且比例分別為:0.3、0.3、0.4。跑道間距1.2 km,相鄰跑道相繼到達航空器間隔按4 km斜距,在雷達管制的條件下進行分析。

4.1.1. 一起一降

參考國際民航組織在無風條件下不同類型的航空器之間的最小安全間隔距離標準,如表1所示。

Table 1. Regulations on minimum takeoff safety interval of aircraft (unit: s)

表1. 航空器最小起飛安全間隔規定(單位:秒)

可知單架飛機的最小服務時間 T i j ( A I ) ,根據式(3)得只用于飛機著陸的跑道的進場容量: C A I = 48.02 / h

根據民航組織規定的雷達間隔各機型之間應參考的尾流間隔最低標準,取輕型機平均飛行速度300 km/h,中型機平均飛行速度550 km/h,重型機平均飛行速度800 km/h來換算尾流間隔時間,并在其中根據空余時間間隔插入最大飛機數,如表2所示。

Table 2. Maximum number of aircrafts inserted in aircraft safety interval

表2. 航空器安全間隔內插入飛機的最大值情況

根據表1民航組織的安全間隔時間與表2換算所得的雷達間隔時間,取各型飛機離場最小服務時間,由式(5)得飛機平均離場時間:

E [ T i j ( D E ) ] = 101.08 s /

只用于飛機起飛跑道的離場容量: C D E = 35.62 / h

可得跑道總容量為一條跑道的進場容量與另一條跑道的離場容量之和: C Y Q Y J = 83.64 / h

4.1.2. 兩起一降

兩起一降運行模式下,即在一起一降模式下,在進場航空器的著陸間隔中插入需離場航空器。因而,在進場的各型航空器組合之間找到適合起飛間隔的航空器組合,本文為找到該模式下的最大容量,采用放飛航空器數量最大的航空器離場組合。

根據表2可得 极速3D ,由式(8)得同時用于飛機起飛和著陸的跑道的起降容量:

C H H = 116.2 / h

則該模式下,一條跑道的離場容量與另一條跑道的混合起降容量模式下的總容量之和為:

C L Q Y J = 151.83 / h

4.1.3. 一起兩降

當兩跑道同時使用來接受來場航空器時,由于兩跑道距離相對于航空器速度而言過近,為保證兩跑道上的相繼到達的飛機的安全,還應保持4 km斜距,根據 δ 2 = S 2 D 2 得,同一條跑道相繼到達的飛機應保持7.64 km的最小進場雷達間隔。

綜合民航組織規定最小雷達間隔與特定跑道進場雷達間隔,如表3所示,取各型飛機的最小進場航空器服務中最大值。

Table 3极速3D. Regulations on the approach aircraft interval of mixed operation runway

表3. 混合運行跑道進場航空器間隔規定

极速3D根據式(12)得只用于飛機進場著陸的跑道的進場容量:

C ( A I ) = 42.84 / h

极速3D一起兩降模式下,一條跑道專門用于進場,一條跑道混合運行,則一起兩降模式下的總容量為單跑道進場容量與單跑道混合容量之和:

C Y Q L J = C ( A I ) + C ( H H ) = C ( A I ) + C ( A I ) ( 1 + i 1 n j 1 n p i j θ i j max )

C Y Q L J = 150.37 / h

4.1.4. 兩起兩降

兩起兩降運行模式下,兩條跑道均用于起降混合運行,即該模式下的跑道總容量為兩條混合運行模式下的單跑道的容量之和。該模式下,需要考慮兩跑道同時進場時斜距規定。

极速3D根據式(14)得兩起兩降模式下雙跑道起降的總容量:

C L Q L J = 215 / h

4.2. 誤差分析

极速3D根據有關研究顯示國內單跑道機場機場任務最繁忙時間段內,實際容量可達到2.12架/min,一些外軍成熟的軍用中距雙跑道機場平均極限容量可突破3.70架/min。實例分析得到的四種運行模式中容量峰值介于這兩數值之間,理論上符合現階段我國軍用中距雙跑道的應用實際,從側面說明建立的模型具有可行性。但是我們也必須意識到,進行實例分析的過程中,一些因素的存在將導致理論容量的值域與實際真實值之間存在一定誤差,這個誤差可能來源于以下幾點:

① 未考慮到天氣因素,在特殊復雜天氣情況下,軍航機場除特殊科目訓練和重要任務外,減少或者不進行飛行,從而使得機場運行容量降低。

② 軍航實際運行過程中,為避免非戰斗損失和降低事故率,不同管制員會根據自身能力和經驗不同,適當增加實際運行下的安全間隔,使得航空器之間不那么緊湊,提高跑道運行安全性,但使得對單架航空器的服務時間增多,減少了機場運行容量。

③ 插空放飛飛機時實際可行性,最大理論容量評估過程中,對可插空飛行的空檔插入最大可飛行數量,實際操作過程中,并沒有無限等待起飛的航空器,因而插空放飛飛機數量的不足,直接導致了跑道離場容量的不足。

總體上來看,該模型能夠反映實際運行時的跑道運行極限,具有一定的實用價值。此外,理論容量獲取方便,參數調整靈活,具有較高的跑道評估價值。

4.3. 不同模式下跑道容量對比

從小時容量開始分析,一起一降運行模式下,其理論容量明顯小于兩起兩降運行模式下雙跑道理論容量,從跑道均衡程度上來看,兩起兩降的單跑道的運行效率明顯高于一起一降運行模式。經分析可得,雙跑道兩起一降運行模式下的起飛容量明顯高于其他運行模式,而雙跑道一起兩降運行模式下的降落容量也較高,因此可見雙跑道一起兩降的降落容量與雙跑道兩起一降的起飛容量并不遜色于兩起兩降運行模式,如圖2所示。

Figure 2. Runway capacity in different modes

圖2. 不同模式下跑道容量情況

5. 軍航應用設想

由上述一系列數據分析可得,在雷達管制條件下,隨著雙跑道運行模式的改變,容量也較大差異。因而,軍航中距雙跑道在運行模式可以根據不同任務階段特點來進行靈活選擇和調整。

极速3D(1) 作戰開始階段,選擇兩起一降和兩起兩降的雙跑道運行模式。對于軍航任務的突然性以及對出動時間的較高要求,即務必在第一時間起飛,最快到達目的地域實施作戰行動,而期間對著陸的要求不高。因而,在任務開始階段,可以選擇兩起一降和兩起兩降的雙跑道運行模式。此時,既能滿足作戰飛機迅速起飛的戰場需求,又能在一定程度上給少量來場航空器留有著陸空間。

极速3D(2) 作戰結束階段或回場補給階段,可以選擇一起兩降和兩起兩降的雙跑道運行模式。在任務結束后回場歸隊或者任務執行過程中飛機來場加油補給,特別是飛機大規模來場,在這一階段,飛機可能會在空戰中受創,油量不足,在運輸過程中遇到突發狀況而必須盡快著陸等諸多情況,此時,對機場的著陸容量提出的較高要求。因此,此時可以選擇一起兩降和兩起兩降的雙跑道運行模式。

极速3D(3) 在平時訓練過程中,可以采取一起一降的雙跑道運行模式。由于軍航的飛機數量并不像民航那么多,并不需要過大的跑道容量且雙跑道混合運行對于機場導航設備精度,管制員指揮能力,飛行員技術水平提出了較高的要求,因而在平常的訓練過程中,可以采取一起一降的雙跑道運行模式,既能保證比平常單跑道更大的運行容量,另一條跑道隨時可以應對突發情況,可以插空加入飛機來起飛或者降落,又能保證日常訓練的安全性。

6. 結束語

极速3D本文首先闡述了中距雙跑道對于軍航未來發展的重大前景,參考前人的構想為之構建簡化的時間–空間模型,而后實例分析,得到雙跑道的容量遠高于單跑道容量,且隨著雙跑道運行模式的逐步優化,各跑道混合程度不斷加強,其跑道容量還能繼續增加,具有較強的科學性與實用性。本文所構建四種模式下的雙跑道容量評估模型,在一定限度內,能夠真實反映雙跑道容量擴展范圍,但是仍然存在著計算所得容量過大,未充分考慮到空域使用限制,運行安全性限制,指揮控制人員負荷,天氣等限制因素等問題。因此,在實際評估某特定機場時,在此簡單模型的基礎上,仍要添加相應影響較大的限制因素,從而使得評估結果更加準確。

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參考文獻

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