張林影

(中國民用航空飛行學院 空中交通管理學院， 四川 廣漢 618307)

隨著民航業(yè)的發(fā)展，為滿足航空運輸?shù)男枨螅w行員的培養(yǎng)需求也隨之日益增長。飛行員通常在混合運輸機場進行訓練，但訓練飛行與運輸飛行的運行方式不同，運行效率也互相影響。由于目視間隔比其他的管制間隔小，合理地使用目視間隔可以一定程度的提升跑道服務能力。飛行訓練科目、訓練機型對跑道容量有著一定的影響作用，因此針對訓練科目和訓練機型結(jié)合目視飛行間隔分析跑道服務能力，可以合理規(guī)劃訓練計劃，從而提升跑道運行效率。

自1984年Bowen等[1]最早提出跑道容量的計算后，跑道容量的計算和模型越來越成熟。2015年李冰冰等[2]分析了時間間隔標準對跑道容量的影響，提出基于間隔距離標準和時間間隔標準的機場跑道容量模型。沈志遠等[3]針對側(cè)向雙跑道系統(tǒng)，并根據(jù)尾流影響提出了對跑道容量的研究?？等鸷蜅顒P[4]針對元胞自動機和二類運行模式對起降間隔進行了研究。劉珂璇等[5]和喬曉瑩等[6]分別針對著陸間隙內(nèi)起飛飛機之間對間隔的相互影響和機型間隔分別研究了開口V型跑道容量評估和跑道容量優(yōu)化模型。跑道容量的研究不僅僅局限于起降間隔，構型也是一大研究熱點，如楊凱等[7-8]、孟祥偉等[9]分別針對脫離道的構型和近距平行跑道對跑道容量進行了研究。此外，王莉莉等[10-11]建立了近距平行跑道高角度進近與傳統(tǒng)進近相結(jié)合下的典型跑道著陸、起飛和混合運行時的跑道容量計算模型；陶媚等[12]引入橫側(cè)盤旋技術，根據(jù)相應的管制規(guī)則對連續(xù)起飛和交替起降這兩種運行方式進行跑道容量評估，證明了盤旋技術對跑道容量有明顯的提升作用。2020年，蔣豪、陳亞青[13]針對重新分類的尾流對跑道容量進行了研究，高華[14]通過碰撞風險模型，在雙目運行的條件下對跑道容量進行了研究；Mascio等[15]以三級分析方法對跑道容量進行了計算。

訓練機場通常跑道結(jié)構簡單，且多以目視飛行為主，而以上研究主要針對大型運輸機場，使用儀表飛行，考慮管制間隔或運用新技術對跑道容量進行評估，對于訓練機場或混合運輸機場的跑道容量評估并不適用。本文在已有的成果上，根據(jù)《機場時刻容量評估規(guī)范》(AP-93-TM-2017-01)附錄D中的要求，將航空器間隔作為影響跑道容量的一大重要影響因素，通過細化航空器占用跑道的運行過程，同時考慮訓練飛行時目視間隔對起飛間隔的影響，針對起落航線飛行訓練中的不同訓練科目和機型，構造考慮目視間隔的跑道容量評估模型，使用Anylogic進行仿真計算，分析訓練科目和機型等關鍵參數(shù)對起飛間隔和跑道容量的影響。

1 考慮目視間隔下跑道容量評估模型

1.1 考慮目視間隔的跑道服務時間模型

起落航線訓練科目通常是全停和觸地拉伸，全停占用跑道的程序與降落占用跑道的程序一致。觸地拉伸則是下降高度從跑道末端進入跑道，接觸到地面后繼續(xù)滑跑直到達到抬前輪速度又繼續(xù)起飛。圖1為航空器起降占用跑道程序的示意圖。

圖1 航空器占用跑道程序

設機場跑道長度為L，Lr為跑道外等待位置與跑道中線的距離，R為航空器的轉(zhuǎn)彎半徑，Vturn為轉(zhuǎn)彎速度，VR為抬前輪速度，Venter為進場速度，即飛機著陸前下降至安全高度處(15 m)的瞬時速度，Vd為接地速度，即著陸過程中飛機主輪接地瞬時速度，設跑道表面與水平面的夾角為0，升降舵無偏角，假定飛機不受外界風力干擾，Qi為空氣阻力，Pi為發(fā)動機推力，G為航空器的重力，f為跑道摩擦系數(shù)，ρ為空氣密度，s為機翼面積，Cx為水平方向升力系數(shù)，Cy為垂直方向升力系數(shù)。

起飛航空器fi起飛滑跑距離

(1)

起飛航空器fi起飛滑跑時間

(2)

若L≤R，起飛航空器可以直接通過滑行道后做90°轉(zhuǎn)彎滑跑起飛，則

(3)

若L>R，起飛航空器做90°轉(zhuǎn)彎逆向滑行到跑道末端轉(zhuǎn)向180°滑跑起飛，則

(4)

降落占用跑道時間為

(5)

航空器觸地拉升時降落階段占用跑道時間與式(5)相同，觸地滑跑階段跑道占用時間：

若VR>Vd，滑跑段占用時間troll為

(6)

若VR≤Vd，拉升滑跑階段時間troll為

(7)

式中，aroll為滑跑階段的加速度。

1.2 考慮起落航線目視間隔下跑道容量評估

定義E[T]為跑道服務時間期望值，則

(8)

式中，

Pac=PaPc

(9)

設Pa為A類機型的比例，Pc為C類機型的比例，Pf為全停的比例，Pt為觸地拉伸的比例，Ptrans為運輸飛行的比例，Ptrain為訓練飛行的比例，Tij為前機與后機的起飛間隔，則

Ptrian+Ptrans=1

(10)

Ptrian=Pf+Pt=Pf(Pa+Pc)+Pt(Pa+Pc)

(11)

(Pf+Pt)(Pa+Pc)+Ptrans=1

(12)

由起落航線第五邊有航空器時不得起飛航空器的規(guī)定，得

(13)

(14)

式中：a為前機的加速度；tinterval為前機飛行到目視間隔的距離所需的時間；dtail為尾流間隔；l2、l3、l5分別為起落航線第二邊、第三邊和第五邊的長度。若fi為進行觸地拉伸的航空器， 則

Tij=Tj-Ti=min(tinterval,ttaxi+tD+troll)

(15)

否則

Tij=Tj-Ti=min(tinterval,ttaxi+tD)

(16)

得到跑道容量評估計算模型為

(17)

2 Anylogic模擬仿真

起落航線飛行包括起飛、建立航線、著陸目測和著陸4個方面。設跑道運行方向為由西向東，進行全停訓練飛行時，當有航空器即將經(jīng)過四轉(zhuǎn)彎點并報告進入五邊時，跑道外等待的飛機繼續(xù)等待，直至報告的航空器進入跑道并進入停機坪。觸地拉伸訓練飛行設連續(xù)飛起落航線兩圈，當航空器即將經(jīng)過四轉(zhuǎn)彎點時報告進入五邊，跑道外等待的飛機繼續(xù)等待，直至該航空器進入跑道滑跑，達到抬輪速度后再次起飛進入一邊并達到間隔要求等待的航空器方可得到起飛指令。

Anylogic仿真模型的邏輯組塊大致為：源點，selectout邏輯組塊以及定點邏輯組塊。源點產(chǎn)生航空器，設置在滑行道入口，起飛的航空器在此處進行等待；selectout邏輯組塊設定約束條件：記錄由源點產(chǎn)生的航空器的類型和訓練科目以及飛行類型，根據(jù)以上條件判斷目視間隔和尾流間隔，在三轉(zhuǎn)彎點和四轉(zhuǎn)彎點之間設置參數(shù)AA，表示當航空器進入該段時，必須進行降落報告，將該參數(shù)加入selectout邏輯組塊可以判斷四轉(zhuǎn)彎點是否接收到降落報告。定點邏輯組塊主要為航空器的飛行路徑進行定位，控制速度等。

模型仿真流程如圖2所示，源點按照設置比例生成航空器，訓練飛行的航空器采用目視飛行，根據(jù)機型和管制規(guī)則，記錄每架航空器的起飛時刻，根據(jù)記錄得到不同比例下的平均起飛間隔。為消除隨機性和避免數(shù)據(jù)量不夠的影響，每次仿真運行24 h，每組概率重復10次，取其均值，最后得到100個數(shù)據(jù)。

圖2 仿真流程

3 仿真計算與分析

3.1 飛行類型與機型對間隔和跑道容量的影響

中衛(wèi)沙坡頭機場訓練飛行機型有A類和C類，運輸機型為C類機。起落航線訓練飛行為目視飛行，從離開跑道進入一邊到從五邊進入跑道為完整的起落航線訓練，且遵守管制規(guī)定：起落航線上最多不超過4架航空器，中型機不得超過2架。運輸飛行占用跑道程序主要是起飛降落，起飛進入一邊后直接進入預定航線，降落航空器從三邊或五邊加入，不進行完整的起落航線的運行程序。

取機場跑道長度Lr=2 800 m，f=0.3，R=15 m，VR=60 kt，Vd=50 kt，L=1 000 m。Ptrain、Pa的變化區(qū)間為[0,1]，仿真運行24 h，不考慮訓練科目，每次仿真121個數(shù)值，仿真10次，改變飛行類型和機型，由式(13)、(15)以及式(16)可知，機型和訓練科目對起飛間隔有影響，從而進一步影響跑道容量，其變化趨勢如圖3所示。

圖3 平均起飛間隔、容量隨Pa、Ptrain變化趨勢

觀察Pa、Ptrain對起飛間隔的影響，當Ptrain=1、Pa=1時，有最小平均起飛間隔，當所有的航空器都是訓練飛行且都使用A類機型進行訓練飛行時，目視間隔達到最小值有2 000 m，前后機起降間隔達到最小值120 s。可以看到，當Pa變化區(qū)間為[0.4,0.6]時，起飛間隔有明顯的增加，這是因為隨著A類機型的減小，C類機型逐漸增加，由于C類機型尾流間隔更大，目視間隔增大，且當前機為A類機型時考慮后機追趕，起降間隔也隨之增加，當Pa=0.5時有最大起降間隔361 s，目視間隔高達為12 000 m。當Ptrain為0時，起降間隔基本無變化，這是由于運輸飛行為C類航空器，沒有機型對起降間隔進行影響。當訓練飛行增加，隨著C類航空器增加，起降間隔增加幅度較大，這是由于起落航線上中型機不得超過兩架的規(guī)定，使得前后機的起降間隔大幅增加。起降間隔直接影響跑道容量，由圖3(b)可知，當Ptrain=1且Pa=1時，有最大容量14.9架次/h；當Ptrain=1且Pa=0時有最小容量6.63架次/h，比最高點值相比降低了55.7%?？梢钥吹絇a變化區(qū)間為[0,0.5]時，容量隨Ptrain的增加而增加，Pa變化區(qū)間為[0.5,1]時，容量隨Ptrain的增加而減少，容量的變化趨勢符合起降間隔的變化趨勢。

可以看到，使用目視間隔進行訓練飛行能夠明顯地縮短起降間隔，增加跑道容量，但是由于起落航線上架次的限制，當C類機型的訓練量增加時，容易導致有較大的起降間隔，因此，運輸飛行的航空器可以利用這個間隙進行起降，從而增加跑道容量。

3.2 訓練科目與機型對間隔和跑道容量的影響

起落航線上訓練飛行主要分為全停和觸地拉伸。進行全停的航空器從五邊減速進入跑道接地，滑行結(jié)束后直接進入停機坪；而進行觸地拉伸的航空器進行兩次起落航線訓練飛行，在第一次從五邊減速進入跑道時，接觸到地面后又加速繼續(xù)起飛，進入起落航線。在進行起落航線飛行訓練時，管制規(guī)定若進行超機必須在第三邊之前；若四轉(zhuǎn)彎點報告有航空器，則禁止跑道起飛航空器。

圖4(a)和圖4(b)分別顯示了平均起飛間隔和跑道容量隨Pa和Pf變化的趨勢。

圖4 平均起飛間隔、容量隨Pa、Pf的變化趨勢

當Pa=1，Pf=1時，有最小平均起飛間隔，目視間隔達到最小值2 000 m。隨著觸地拉伸的比例增加，平均起飛間隔也逐漸增加，但目視間隔同全停相比變化不大。這是因為進行觸地拉伸的航空器在進行這一訓練時，雖然使用兩次跑道，但在計算容量時，只記作一架航空器，且相比較全停的航空器，觸地拉伸的航空器占用跑道的時間還多了中間觸地滑跑拉伸的時間。

整體上跑道容量隨著Pa和Pf的增加而增加的，當Pa=1、Pf=1時有最大容量13.29架次/h，比最小值增加72.2%；Pa=1，Pf變化區(qū)間為[0,0.3]時，容量反而隨著Pa的減少而增加：當全是進行觸地拉伸的航空器且機型都為A類時，起飛間隔是均勻的，數(shù)量較少的全停訓練航空器的出現(xiàn)就像插隊一樣，導致等待起飛的航空器的前后機的類型有所變化，從而導致目視間隔的增加或減少，使得起飛間隔變得不均勻，導致起飛間隔增加，從式(15)可以看出，進行觸地拉伸的航空器占用跑道的時間更長，隨著全停的航空器的增加，起飛間隔開始縮短，跑道容量增加。當Pf=1時，平均起飛間隔隨著Pa的增加呈現(xiàn)先增加后又減小的趨勢：當Pa的變化區(qū)間在[0,0.3]時，常出現(xiàn)的組合是前機是C類后機是A類機，由于尾流的影響，目視間隔更大，導致平均起飛間隔減小。Pa變化區(qū)間為[0.3,1]時，受起落航線上架次的限制，同時A類航空器的目視間隔更小，因此Pa的增加使平均起飛間隔減小，從而使跑道容量得到提升。

4 結(jié)論

合理有效的訓練飛行可以有效地提高飛行員的訓練質(zhì)量，且訓練飛行通常在支線機場進行。然而多數(shù)支線機場設備較少，跑道以及滑行道的結(jié)構較為簡單，跑道容量往往較小，采用目視飛行顯然更靈活，能縮小飛行間隔，從而提升跑道服務能力，提升機場容量。為進一步分析訓練科目和機型的比例對目視間隔和起飛間隔和跑道容量的影響，本文通過多次仿真分析得到以下結(jié)論：當訓練飛行比例為1時有最小平均起飛間隔，低于平均值46%，比不使用目視間隔小55%，跑道容量提升了55%。合理地安排訓練科目和機型可以有效地提升跑道服務能力，在繁忙的時候適當?shù)牟捎媚恳曢g隔，對飛行類型進行合理的分配，可以一定程度上提升機場容量，提高管制效率。