起落航線訓(xùn)練目視飛行下跑道容量評估

張林影

(中國民用航空飛行學(xué)院 空中交通管理學(xué)院， 四川 廣漢 618307)

隨著民航業(yè)的發(fā)展，為滿足航空運(yùn)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(yùn)輸機(jī)場進(jìn)行訓(xùn)練，但訓(xùn)練飛行與運(yùn)輸飛行的運(yùn)行方式不同，運(yùn)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(wù)能力。飛行訓(xùn)練科目、訓(xùn)練機(jī)型對跑道容量有著一定的影響作用，因此針對訓(xùn)練科目和訓(xùn)練機(jī)型結(jié)合目視飛行間隔分析跑道服務(wù)能力，可以合理規(guī)劃訓(xùn)練計(jì)劃，從而提升跑道運(yùn)行效率。

自1984年Bowen等[1]最早提出跑道容量的計(jì)算后，跑道容量的計(jì)算和模型越來越成熟。2015年李冰冰等[2]分析了時間間隔標(biāo)準(zhǔn)對跑道容量的影響，提出基于間隔距離標(biāo)準(zhǔn)和時間間隔標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)場跑道容量模型。沈志遠(yuǎn)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(jī)和二類運(yùn)行模式對起降間隔進(jìn)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(jī)之間對間隔的相互影響和機(jī)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(gòu)型也是一大研究熱點(diǎn)，如楊凱等[7-8]、孟祥偉等[9]分別針對脫離道的構(gòu)型和近距平行跑道對跑道容量進(jìn)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(jìn)近與傳統(tǒng)進(jìn)近相結(jié)合下的典型跑道著陸、起飛和混合運(yùn)行時的跑道容量計(jì)算模型；陶媚等[12]引入橫側(cè)盤旋技術(shù)，根據(jù)相應(yīng)的管制規(guī)則對連續(xù)起飛和交替起降這兩種運(yùn)行方式進(jìn)行跑道容量評估，證明了盤旋技術(shù)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(jìn)行了研究，高華[14]通過碰撞風(fēng)險(xiǎn)模型，在雙目運(yùn)行的條件下對跑道容量進(jìn)行了研究；Mascio等[15]以三級分析方法對跑道容量進(jìn)行了計(jì)算。

訓(xùn)練機(jī)場通常跑道結(jié)構(gòu)簡單，且多以目視飛行為主，而以上研究主要針對大型運(yùn)輸機(jī)場，使用儀表飛行，考慮管制間隔或運(yùn)用新技術(shù)對跑道容量進(jìn)行評估，對于訓(xùn)練機(jī)場或混合運(yùn)輸機(jī)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(jī)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(xì)化航空器占用跑道的運(yùn)行過程，同時考慮訓(xùn)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(xùn)練中的不同訓(xùn)練科目和機(jī)型，構(gòu)造考慮目視間隔的跑道容量評估模型，使用Anylogic進(jìn)行仿真計(jì)算，分析訓(xùn)練科目和機(jī)型等關(guān)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(wù)時間模型

起落航線訓(xùn)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(jìn)入跑道，接觸到地面后繼續(xù)滑跑直到達(dá)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(shè)機(jī)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(jìn)場速度，即飛機(jī)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(jī)主輪接地瞬時速度，設(shè)跑道表面與水平面的夾角為0，升降舵無偏角，假定飛機(jī)不受外界風(fēng)力干擾，Qi為空氣阻力，Pi為發(fā)動機(jī)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(jī)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(wù)時間期望值，則

(8)

式中，

Pac=PaPc

(9)

設(shè)Pa為A類機(jī)型的比例，Pc為C類機(jī)型的比例，Pf為全停的比例，Pt為觸地拉伸的比例，Ptrans為運(yùn)輸飛行的比例，Ptrain為訓(xùn)練飛行的比例，Tij為前機(jī)與后機(jī)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(jī)的加速度；tinterval為前機(jī)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(jìn)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(jì)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(shè)跑道運(yùn)行方向?yàn)橛晌飨驏|，進(jìn)行全停訓(xùn)練飛行時，當(dāng)有航空器即將經(jīng)過四轉(zhuǎn)彎點(diǎn)并報(bào)告進(jìn)入五邊時，跑道外等待的飛機(jī)繼續(xù)等待，直至報(bào)告的航空器進(jìn)入跑道并進(jìn)入停機(jī)坪。觸地拉伸訓(xùn)練飛行設(shè)連續(xù)飛起落航線兩圈，當(dāng)航空器即將經(jīng)過四轉(zhuǎn)彎點(diǎn)時報(bào)告進(jìn)入五邊，跑道外等待的飛機(jī)繼續(xù)等待，直至該航空器進(jìn)入跑道滑跑，達(dá)到抬輪速度后再次起飛進(jìn)入一邊并達(dá)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(diǎn)，selectout邏輯組塊以及定點(diǎn)邏輯組塊。源點(diǎn)產(chǎn)生航空器，設(shè)置在滑行道入口，起飛的航空器在此處進(jìn)行等待；selectout邏輯組塊設(shè)定約束條件：記錄由源點(diǎn)產(chǎn)生的航空器的類型和訓(xùn)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(diǎn)和四轉(zhuǎn)彎點(diǎn)之間設(shè)置參數(shù)AA，表示當(dāng)航空器進(jìn)入該段時，必須進(jìn)行降落報(bào)告，將該參數(shù)加入selectout邏輯組塊可以判斷四轉(zhuǎn)彎點(diǎn)是否接收到降落報(bào)告。定點(diǎn)邏輯組塊主要為航空器的飛行路徑進(jìn)行定位，控制速度等。

模型仿真流程如圖2所示，源點(diǎn)按照設(shè)置比例生成航空器，訓(xùn)練飛行的航空器采用目視飛行，根據(jù)機(jī)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(jī)性和避免數(shù)據(jù)量不夠的影響，每次仿真運(yùn)行24 h，每組概率重復(fù)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(jì)算與分析

3.1 飛行類型與機(jī)型對間隔和跑道容量的影響

中衛(wèi)沙坡頭機(jī)場訓(xùn)練飛行機(jī)型有A類和C類，運(yùn)輸機(jī)型為C類機(jī)。起落航線訓(xùn)練飛行為目視飛行，從離開跑道進(jìn)入一邊到從五邊進(jìn)入跑道為完整的起落航線訓(xùn)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(jī)不得超過2架。運(yùn)輸飛行占用跑道程序主要是起飛降落，起飛進(jìn)入一邊后直接進(jìn)入預(yù)定航線，降落航空器從三邊或五邊加入，不進(jìn)行完整的起落航線的運(yùn)行程序。

取機(jī)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(yùn)行24 h，不考慮訓(xùn)練科目，每次仿真121個數(shù)值，仿真10次，改變飛行類型和機(jī)型，由式(13)、(15)以及式(16)可知，機(jī)型和訓(xùn)練科目對起飛間隔有影響，從而進(jìn)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(dāng)Ptrain=1、Pa=1時，有最小平均起飛間隔，當(dāng)所有的航空器都是訓(xùn)練飛行且都使用A類機(jī)型進(jìn)行訓(xùn)練飛行時，目視間隔達(dá)到最小值有2 000 m，前后機(jī)起降間隔達(dá)到最小值120 s?？梢钥吹?，當(dāng)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?yàn)殡S著A類機(jī)型的減小，C類機(jī)型逐漸增加，由于C類機(jī)型尾流間隔更大，目視間隔增大，且當(dāng)前機(jī)為A類機(jī)型時考慮后機(jī)追趕，起降間隔也隨之增加，當(dāng)Pa=0.5時有最大起降間隔361 s，目視間隔高達(dá)為12 000 m。當(dāng)Ptrain為0時，起降間隔基本無變化，這是由于運(yùn)輸飛行為C類航空器，沒有機(jī)型對起降間隔進(jìn)行影響。當(dāng)訓(xùn)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(jī)不得超過兩架的規(guī)定，使得前后機(jī)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(dāng)Ptrain=1且Pa=1時，有最大容量14.9架次/h；當(dāng)Ptrain=1且Pa=0時有最小容量6.63架次/h，比最高點(diǎn)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(jìn)行訓(xùn)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(dāng)C類機(jī)型的訓(xùn)練量增加時，容易導(dǎo)致有較大的起降間隔，因此，運(yùn)輸飛行的航空器可以利用這個間隙進(jìn)行起降，從而增加跑道容量。

3.2 訓(xùn)練科目與機(jī)型對間隔和跑道容量的影響

起落航線上訓(xùn)練飛行主要分為全停和觸地拉伸。進(jìn)行全停的航空器從五邊減速進(jìn)入跑道接地，滑行結(jié)束后直接進(jìn)入停機(jī)坪；而進(jìn)行觸地拉伸的航空器進(jìn)行兩次起落航線訓(xùn)練飛行，在第一次從五邊減速進(jìn)入跑道時，接觸到地面后又加速繼續(xù)起飛，進(jìn)入起落航線。在進(jìn)行起落航線飛行訓(xùn)練時，管制規(guī)定若進(jìn)行超機(jī)必須在第三邊之前；若四轉(zhuǎn)彎點(diǎn)報(bào)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(dāng)Pa=1，Pf=1時，有最小平均起飛間隔，目視間隔達(dá)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?yàn)檫M(jìn)行觸地拉伸的航空器在進(jìn)行這一訓(xùn)練時，雖然使用兩次跑道，但在計(jì)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(dāng)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(dāng)全是進(jìn)行觸地拉伸的航空器且機(jī)型都為A類時，起飛間隔是均勻的，數(shù)量較少的全停訓(xùn)練航空器的出現(xiàn)就像插隊(duì)一樣，導(dǎo)致等待起飛的航空器的前后機(jī)的類型有所變化，從而導(dǎo)致目視間隔的增加或減少，使得起飛間隔變得不均勻，導(dǎo)致起飛間隔增加，從式(15)可以看出，進(jìn)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(dāng)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(dāng)Pa的變化區(qū)間在[0,0.3]時，常出現(xiàn)的組合是前機(jī)是C類后機(jī)是A類機(jī)，由于尾流的影響，目視間隔更大，導(dǎo)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(xùn)練飛行可以有效地提高飛行員的訓(xùn)練質(zhì)量，且訓(xùn)練飛行通常在支線機(jī)場進(jìn)行。然而多數(shù)支線機(jī)場設(shè)備較少，跑道以及滑行道的結(jié)構(gòu)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(wù)能力，提升機(jī)場容量。為進(jìn)一步分析訓(xùn)練科目和機(jī)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(dāng)訓(xùn)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(xùn)練科目和機(jī)型可以有效地提升跑道服務(wù)能力，在繁忙的時候適當(dāng)?shù)牟捎媚恳曢g隔，對飛行類型進(jìn)行合理的分配，可以一定程度上提升機(jī)場容量，提高管制效率。