基于動態尾流間隔的機場運行容量提升研究

蔣豪　陳亞青

摘要：空域資源的短缺制約著我國民航發展，現存的尾流間隔標準不夠精細。美國FAA已對尾流間隔進行重新分類，ICAO發布的ASBU計劃將對尾流的進行重新分類。在保證安全前提下，探索適合中國民航的更為精確的尾流間隔標準，可為提高空域資源、機場容量提供參考與技術支持。

關鍵詞：動態尾流間隔;機場容量;ASBU;RECAT

0 ?引言

日前空域資源嚴重短缺，無疑是制約民航發展的主要瓶頸。越是航空運輸繁忙的地區，越是民航業發展較快的地區，空域資源不足的問題越為突出。隨著我國大型樞紐機場擁堵趨勢日益加劇，不少機場紛紛修建新跑道，考慮到節約用地及其他原因，一些機場只能修建近距平行跑道（跑道中心線距小于760米）。但按照我國現行間隔標準，近距平行跑道跑道運行間隔只能按照單跑道運行實施，使得近距平行跑道未發揮其最大作用，對機場容量提升的貢獻度有限，未能有效解決空域資源的短缺問題。

毫無疑問，優化現行的尾流間隔標準，能夠提高機場運行效率，切實提高民航現有可用空域使用效率，作為推進民航供給側結構性改革、實現行業提質增效的突破點，促進我國民航整體水平的提升，確保民航強國戰略目標順利實現。

1 ?國內外運行現狀

目前，大多數國家按照國際民航組織在DOC4444—《空中交通管理》中對尾流間隔的劃分標準對航空器之間的間隔進行管理。同時，歐美航空發達國家或組織有自成一體的整套尾流間隔標準，在其所管轄范圍內實施。國際上對航空器尾流間隔標準的劃分，主要分為以下幾類。

1.1 國際民航組織的尾流間隔標準

ICAO在《空中交通管理》（DOC4444）中對雷達尾流間隔標準如表1所示，也是大多數國家所采用的的三類尾流間隔標準。

1.2 美國尾流間隔標準

FAA于2012年10月18日發布了運行安全告警（Safety Alert for Operators：SAFO），對孟菲斯國際機場率先實行新的雷達尾流分類標準。經過FAA以及歐洲航空安全組織的尾流方面和安全風險方面專家對尾流間隔數年的共同研究，FAA于2015年在JO7110.659B中批準通過了新的雷達尾流間隔標準，并于3月1日在全美符合條件的機場開始實施。重新分類的尾流間隔標準在原來尾流間隔標準的基礎上，充分利用了尾流的物理性質，基于航空器重量、進近速度、機翼特征以及航空器承受尾流強度的能力，共分為6類（A-F）。常見機型分類如表2所示，重新分類的尾流間隔標準如表3所示。

在JO7110.659B中，對單跑道或者中心線距小于2500英尺（約760m）的平行跑道上執行目視或儀表飛行規則的航空器起飛間隔如表4所示。

另外，從2011年起，美國3個機場對離場尾流緩解系統進行了運行驗證，旨在當跑道側風足夠強且持續時間較長時，一架重型航空器在順風跑道上離場之后，逆風平行跑道上離場的航空器無需等待目前規定中的兩至三分鐘。通過對跑道側風的實時監測，指導管制員何時取消兩至三分鐘的尾流間隔以及何時啟用此間隔。這種動態間隔有效提高了跑道容量，使延誤水平大大降低。

1.3 歐洲航空安全組織的尾流間隔標準

歐洲航空安全組織（European Organization for the Safety of Air Navigation，簡稱EUROCONTROL）經過數年研究，于2015年7月發布了歐洲新型航空器尾流間隔標準（European Wake Vortex Re-categorisation，簡稱RECAT-EU），其中對航空器進行了重新的分類（詳見圖1），尾流間隔標準如表5、表6。目前，新型尾流分類標準已應用于法國的戴高樂和布爾歇機場，并取得了良好效果。

1.4 我國尾流間隔標準

我國參照DOC4444中的雷達尾流間隔標準，在2000年頒布的《中國民用航空空中交通管理規則》中，對航空器尾流間隔的規定如表7所示;2008年下發的《空中客車A380機型尾流類型及尾流間隔標準的規定》中規范了A380-800機型配備的尾流間隔標準。此外，當前機是波音757時，按照重型機的尾流間隔標準執行。

為了進一步提高大型樞紐機場的運行能力，在2013年發布的《優化空中交通管制運行規范的暫行規定》中指出，為年旅客吞吐量1000萬人次以上的機場提供進近雷達管制和機場塔臺管制的單位，可使用目前ICAO在《空中交通管理》中規定的雷達尾流間隔標準。

我國與FAA及EUROCONTROL的分類標準有所不同，但整體上我國的雷達尾流間隔比FAA稍大，在更大程度上確保了運行的安全，同時也降低了跑道和空域的使用率。

可見，我國現行尾流間隔標準未能充分提升機場跑道容量及空域容量，造成資源浪費。因此，為解決機場運行效率和我國現有空域使用效率問題，尋求新型尾流間隔已成為亟需解決的難題。基于計算機技術的不斷發展、計算流體力學的進步以及觀測手段的豐富，研究發現現行的基于距離的尾流標準仍有較大余量。因此，動態尾流間隔的概念應運而生。

動態尾流間隔旨在通過預測前機尾流的位置、強度，將后機遭遇尾流的風險控制在可接受的范圍之內，從而達到縮減尾流間隔、提高機場容量的目的。

2 ?國內外尾流間隔的發展

趨勢

國際民航組織在航空系統組塊升級（ASBU）中明確提出在2013年開始實施的ASBU模塊B0-WAKE中通過優化尾流間隔提高跑道吞吐量，即通過優化尾流間隔標準、修訂航空器尾流等級和程序提高進離場跑道的吞吐量。

在計劃于2018年開始實施的模塊B1-WAKE中，提出通過動態尾流間隔提高跑道吞吐量。預計在要素1中將新型尾流最低間隔標準擴充至航空器型別尾流間隔雙機配組的靜態前機/后機雙機矩陣。國際民航組織計劃于2016年之前批準使用該矩陣。要素2擬通過對尾流間隔的適用方式加以修改，增加一些機場的中心線間隔小于760米（2500英尺）的平行跑道和單跑道上的進場運行數。則ATC系統需具備進場尾流緩解（Wake Turbulence Mitigation for Arrival：WTMA）能力。要素3是在提高WTMA預測能力的情況下，制定離場尾流緩解程序，以便能安全地增加中心線間隔小于760米（2500英尺）的平行跑道機場上的離場容量。

這些模塊升級，使得終端區可以在某些情況下使用降低的尾流標準和合理程序。基于所制定的標準，可安全地對最低間隔標準及其適用情況進行修改，從而使機場容量逐步增加。ICAO預期通過這些組塊升級使各成員國能夠根據各自的運行要求提高機場運行效率、空中交通容量，使所有成員國和利益相關方能夠實現全球統一化。

中國民航“十三五”也做了相應的規劃——全面應用國際民航組織新型尾流間隔標準，開展動態尾流間隔應用研究。

3 ?國內外研究現狀

尾流是航空器在飛行過程中在其尾部形成的氣流，飛機穿越尾流區時可能在短時間內造成大幅度顛簸，掉高度，機翼載荷突變，輕者讓飛行人員操縱困難，旅客不適，嚴重時可能導致機體結構的損壞，釀成災難性后果。因此，其運動特性是制定間隔標準的重要參考因素。國外涉足該方面的研究較早，前期針對尾流的運動特性進行了大量的研究工作，提出了尾流的消散和預測模型[1][2][3][4]。

在此基礎之上，2007年德國宇航中心設計開發了尾流預測與監控系統[5]。該系統可依據特定的天氣條件與尾流特性，在不影響安全的前提下動態調節尾流間隔。并在法蘭克福機場得到了成功應用，使機場容量增強3%以上;為東京國際機場的曲線進近程序提供依據，使其容量提升約12%[6]。于2009年，該機構又開發設計了航空器尾流情境仿真模型[7]，實現了對尾流遭遇的嚴重性進行評估。2010，德國魯爾大學開發了“三維空間+時間”的尾流4D預測模型[8]，可模擬航空器在既定飛行路線上尾流傳播與衰減。

NASA結合大量實測數據，于2000年成功研制了尾流間隔系統[9]，并在達拉斯機場進行多次試驗后表明可有效縮短單跑道著陸間隔，容量提高6%，延誤降低約40%[10]。

國內對動態尾流間隔也進行了相應的研究，但是對于間隔的基礎理論研究相對較少。北京航空航天大學的劉寶杰、南京航空航天大學的胡軍等對尾流對間隔的影響以及尾流標準的對比分析[11];2007年，西南交通大學的馮志勇提出了混合起降尾流間隔[12];2010年，徐肖豪等人用大渦模擬方法發現了在渦對卷起之前的不對稱性和Crow關聯發生后渦對消散的不對稱性，并分析了其原因[13];同年，張兆寧和張彬建立了縱向尾流間隔計算模型[14];2014年，王菲等人分析、總結了國內外縮減尾流間隔技術，指出目前研究的熱點集中于動態尾流預測[15]。

4 ?動態尾流間隔在我國實施的建議

為了促進動態尾流間隔在我國的盡快實施，應著力從以下幾個方面逐步推進：①民航局應大力鼓勵和支持國內外有關單位對實施動態尾流間隔管理的研究和資金投入;②各地區管理局應轉變固有思維方式，加強對先進技術的學習，同時支持對實施動態尾流間隔管理研究的協調工作;③從事該方面研究的單位或機構應對我國民航尾流間隔標準與國際上的尾流標準進行深入的對比和分析，應對國外運行和研究經驗豐富的單位或機構進行實地考察和學習，從源頭上找到問題關鍵所在;④從事動態尾流研究工作的科研團隊應由一支擁有豐富的一線運行經驗、扎實的民航基礎知識和嚴謹的邏輯計算能力、推理能力和較強的編程能力的民航背景人員組成;⑤保證管制安全運行前提下，大膽創新，突破思維玻璃天花板，研究與尾流相關的其他運行模式，如起飛飛機后側穿越等。

5 ?總結

國外研制的動態尾流間隔系統現處于應用的初級階段，即在有利側風的影響下，在上風跑道著陸的航空器不再受限于近距跑道運行下風向跑道航空器的尾流間隔要求。目前，國外相關機構又在進行基于時間的高級尾流間隔系統研究，并且范圍從近距跑道擴展到單跑道。

伴隨中國民航的不斷發展和壯大，我國大型樞紐機場眾多且不斷增加，及時開展動態尾流研究，在保證安全的前提下，促進動態尾流間隔標準的實施，縮小著陸航空器的尾流間隔，緩解樞紐機場日益擁堵的情況，提高我國機場運行效率，切實提高民航現有可用空域使用效率，早日形成民航發展“量大質優”的新形態，確保民航強國戰略目標順利實現。

參考文獻：

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基金項目：民航安全能力建設資金（TM2018-3-1/2）;中國民航飛行學院青年基金項目（Q2016-114）。

作者信息：蔣豪（1989-），男，四川雅安人，碩士，助理研究員，中國民用航空飛行學院。