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发布时间:2020-05-11 00:00:00
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国外近距跑道的运行策略
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国外近距跑道的运行策略

2022-08-25 17:46

1.前言

  近距平行跑道(Closely Spaced Parallel Runways,以下简称近距跑道)是指跑道中心线距离小于762m的跑道对。国内如虹桥机场、广州机场均有此类跑道构型配置,经过多年运行已经积累了丰富经验。但是否有可能进一步增加近距跑道的容量呢?

  答案是可以的。国内近距跑道在运行方式上采用“一起一降”的隔离平行运行模式,而从国外一些机场的案例来看,近距跑道可以运行“一起两降”的相关运行模式:只需要进近航空器之间配备斜向一定雷达间隔,便可以同时进行仪表着陆。这样多增加一个降落无疑会进一步增加容量,特别是降落高峰的容量,对晚高峰强烈的航班波疏解效果不言而喻。本篇将重点介绍国外一些有特点的相关运行案例,另外也从延误的角度,对大面积航班进场下的负荷能力做一些数学评估。

 

2.为什么近距跑道不可以实施独立平行进近?

  图1  飞机尾流的形成

  同样是两条跑道,为什么近距跑道不可以实施独立降落?原因是尾流在作怪。尾流是飞机在产生升力时的副产品,由于机翼存在上下压差,机翼尖的位置会产生出强大的气流旋涡。这种气流旋涡直径从几米到十几米不等,可以在空气中停留很久,并且会向飞机后方扩散几十海里之远。可想而知,如果后续的飞机遭遇尾流,飞行安全将受到巨大危害。

  在跑道构型规划中,将不在同一条跑道降落的飞机通过跑道间距拉开,可以帮助飞机规避尾流。一般认为远距跑道可以完全规避旁侧跑道降落的飞机尾流,可以实施独立的飞机降落。中距跑道情况下,降落飞机则需要和侧前方的飞机保持一定间隔来规避尾流。但在近距跑道情况下,这个侧前方的间隔要求会非常大,往往已经无法提升跑道容量,所以还需要借助一些手段来减小飞机的间隔控制,提升跑道容量。

  下面我们可以介绍下国外的机场是通过什么样的手段来规避尾流,达到在近距跑道上实施相关进近程序,提升跑道容量的。

 

3.法兰克福机场25L/25R跑道-High Approach Landing System程序

  图2  法兰克福原跑道构型

  首先是著名的法兰克福机场。如上图所示,法兰克福机场在2012年前有三条跑道,分别是一组间距为518m的近距跑道对25L、25R(图中黄色两条)、一条起飞跑道18(图中白色)。在不断的运行需求提升下,法兰克福机场与基地航司汉莎航空,共同研制了一套相关进近程序:High Approach Landing System程序。25L跑道通过跑道入口内移1500m,形成了一条“新跑道”26L(图中橙色,跑道长度2500m)。26L与25R均按照约3°的下滑角进近,但因为跑道入口有差距,两个跑道的降落航道始终保持80m的垂直间隔,呈现出“一高一低”的构型,26L的降落飞机通过高航道巧妙地避开了25R降落飞机的尾流范围。下图可以清晰地看出两个航道通过跑道错位产生的高度差。

  图3  航道高差示意图

  在运行High Approach Landing System程序后,法兰克福机场平衡跑道容量从66ops/h(33Arr+33 Dep)提升至70ops/h(35Arr+35 Dep)。对比原来的运行方式,虽然相关运行只增加了4个架次,这对已经饱和的机场来说已是非常大的提升。当然,这个程序有一定限制,一般只允许汉莎航空的航班使用,同时要求飞机上配备相应的测距设备和应答机。同时,26R跑道只有2500m长,这对降落飞机的性能要求非常严苛。

  在2013年,法兰克福机场在机场25L跑道北侧1900m处投运了一条远距跑道25R(图中蓝色),原有的25R跑道改名为25C跑道。从现在的运行实况来看,原来的High Approach Landing System程序已经不再使用,而改为25L和25R的独立平行运行。这个跑道构型从某种角度看,很像近年国内投运的大兴和天府机场的跑道构型,未来的跑道容量会在100个架次以上。

  图4  新增25R跑道示意图

 

4.旧金山机场28L/28R跑道-SOIA/PRM程序

  第二个要介绍的程序是旧金山机场的28L/28R相关进近程序。美国的机场使用目视程序比较普遍,但因为地理原因,旧金山机场的能见度时而会受到影响。VMC条件约占全年的74%,特殊天气一定要使用仪表程序才能保证机场运行,机场为此开发了SOIA/PRM(Simultaneous Offset Instrumented Approach,SOIA/Precision Runway Monitor,PRM)程序。从名称可以看出这个程序配备了精密跑道监视系统(PRM),通过偏置位移(Offset)的办法实现同时(Simultaneous)仪表进近(Instrumented Approach)。也就是说,不同于法兰克福从“高度”上规避尾流,旧金山机场是从“宽度”上通过位移偏置实现尾流规避的。

  图5  SOIA/PRM程序示意图

 

  如上图所示,28L/28R跑道对间距750ft(230m),是目前世界上最近的近距跑道对之一。SOIA/PRM程序针对28L跑道降落飞机(图中绿色虚线,ILS28L)和28R跑道降落飞机(图中蓝色虚线,SOIA)实施的,该程序首先将切入航道的ILS28L与SOIA两架飞机配对,由确认的两架飞机共同完成SOIA/PRM,随后ILS28L进行正常的仪表进近程序,而SOIA通过两个连续斜线进场,避开尾流的风险区NTZ(No Transgression Zone)这个“宽度”后,切入SAP点与ILS28L实施配对进近。此时SOIA已经避开了28L航道产生的尾流,只需要保持间隔,尾随ILS28L在28R跑道上降落即可。

  这套程序需要有两名管制员分别监控两条航道,又必须互相协同,由PRM提供配对飞机的实时位置和速度、高度等信息,同时需要LDA(Localize Directional Aid)为飞机提供下滑航道指引。运行该程序下,降落容量由IMC条件下的30ops/h提升至54ops/h,小于VMC条件下的60ops/h。但对于稳定不同天气环境的降落容量,SOIA/PRM程序作用显著。

  值得一提的是,旧金山的另外两条近距跑道1L/1R(跑道间距也是230m)可以用于同时起飞,起飞容量在IMC和VMC条件下均为70ops/h(35ops/h+35ops/h)。ICAO认为跑道间距超过760m才可以做到同时起飞,但旧金山机场是作为FAA特批的案例,在如此近的跑道对上实现了同时起飞。

 

5.迪拜国际机场-D-APO程序

  提到迪拜国际机场,大家津津乐道的一直是它一组近距离跑道可以运行到接近9000万(2019年为8640万)年旅客吞吐量的伟绩。能运行这么大的容量,高效的跑道运行水平是其成功的原因之一。迪拜机场在高峰降落期间会运行D-APO(Dual Approach Operation)程序,容量达到惊人的83 ops/h(39ops/h+44 ops/h)。

  D-APO程序得益于近几年兴起的RNAV程序,通过星基导航飞机可以在天空中实现更精密的复杂操作,比如一些曲线的路径。如图所示,D-APO有着和旧金山机场一样的NTZ尾流避让区域,但不同的是,D-APO通过RPAT(连续曲线和更高的下滑角程序)简便的避让开NTZ后与Straight-in跑道飞机协同降落,完成相关进近程序。

  图6  D-APO程序示意图

6.相关运行模式的延误负荷能力

  最后,我们通过一个数学模型可以评估相关进近模式会比普通的隔离运行模式强在哪里。根据Airborne Instruments Laboratory与FAA于1963年提出的“稳态排队理论”计算模型,我们推广出一个评估近距平行跑道的延误水平模型。“

  另外,我们按照法兰克福机场的High Approach Landing System程序规定:不同进近路线上的连续飞机保持最小2.5nm斜向间隔实施连续配对进近。

  可以看出,在不断增大的进场率情况下,两种运行模式的延误水平都在不断增大,但很明显隔离运行模式延误增加得更快,这表示相比于相关运行,隔离运行条件的延误负荷能力会更差一些。如果遇到大面积的航班堆积,隔离运行模式已经接近极限,那应该适时地改为相关运行来疏解航班,可以快速解决延误问题。

  7.结语

  在近距跑道上实现相关运行,虽然在一定程度上增加了容量、缓解了延误,但也对管制员、飞行员提出过高的要求,过高的要求也意味着过大的压力。从国外的经验来看,这种运行模式也只是在容量饱和的情况下使用,一旦有了新的跑道或新机场,这种运行模式随即停用。在目前国内机场大规模基建的背景下,通过增建跑道缓解容量压力显得更为实用。我们也希望能通过对国外机场的相关研究,在新视角上为国内在跑道运行、飞行区效率提升等领域打开新思路,展开新思考。

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