技术交流 | 支线机场快速出口滑行道位置优化分析

引言

     随着我国经济社会和民航运输业的持续快速发展，《运输机场总体规划规范》（MH/T 5002-2020）在总结多年来我国在机场发展、建设及运营中的经验后将规划与跑道等长的平行滑行道、快速出口滑行道的条件由“年起降架次大于4万架次或典型高峰小时达到16架次”调整为“年起降架次大于2万架次或典型高峰小时达到10架次”^[1]。近年来，国内各支线机场承担的航空业务量不断增长，可以预见在不久的将来将有大批支线机场规划建设平行滑行道及快滑等设施。现行的《民用机场飞行区技术标准》（MH5001-2021）虽规定了快滑转出点的位置应根据飞机的接地速度、开始转出速度、跑道入口至接地点的距离以及接地点至转出点的距离等因素计算确定^[2]。但从其他已建设快滑的实际运行经验来看，快速出口位置则受到机型组合、架次、着陆重量、气候、跑道状况（摩擦系数、干湿度、纵坡设计等）、飞行员驾驶习惯等多种因素的影响，降落飞机减速到满足转出要求的时速实际位置与理论计算偏差较大。在机场规划的实际工作中，快滑位置则是在分别计算各机型的位置后参照其它类似条件机场的经验并征求飞行员意见后确定，缺乏对各机型所占架次比例的进一步深入分析。于是，本文从如何缩短飞机平均跑道占用时间、减少降落飞机滑行至平行滑行道距离的角度出发，来分析和确定快滑的位置。

模型构建及分析

    根据《运输机场总体规划规范》（MH/T 5002-2020）及《民用机场飞行区技术标准》（MH5001-2021），与降落飞机使用相关的滑行道主要包括出口滑行道（含快滑）和平行滑行道。平行滑行道是平行并紧邻跑道布置的主干滑行道，主要供起飞、降落飞机在跑道进口、出口滑行道与航站区之间的滑行使用。出口滑行道是供飞机降落后脱离跑道并滑行至主干滑行道或机坪的短支滑行道。快滑大多位于跑道中部，其与跑道夹角介于25°~45°之间，供飞机快速脱离跑道，允许飞机以不大于93km/h的速度转出。跑道端部的出口滑行道则大多与跑道垂直，允许飞机以不大于30km/h的速度转出^{[1] [2] [3]}。上述滑行道中快滑设置位置的选择是事关跑道占用时间及运行效率的重中之重。

     为简化分析模型，在跑道与平行滑行道之间规划1~2条快滑，在跑道端规划1条端部出口滑行道，考虑到支线机场使用的运输机型中绝大部分均为C类飞机，故本文仅以C类飞机为例进行分析。

     飞机通常以3°下滑角进行降落，在接近跑道时把油门收至慢车状态，通过跑道入口上空的高度为15m，进入跑道上空后逐渐拉平，两组主轮先接地，然后前轮接地。飞机接地后即进行刹车，打开减速板和反推力装置，以便减速滑跑至转出速度后从相应的出口滑行道转出^[4]，当降落飞机在快滑转出点之前已减速至93km/h时，则以93km/h的速度从就近的快滑脱离跑道，当减速至93km/h时已错过所有快滑转出点，则假定飞机以93km/h的时速滑行至跑道端并减速至30km/h后从跑道端部出口滑行道脱离跑道。

     为便于计算，将飞机进入入口后滑行至平行滑行道的滑行过程简化为以下几个阶段：

1. 从快滑脱离跑道

图1  降落飞机从快滑脱离跑道运动过程

     降落飞机从快滑脱离跑道运动过程如图1所示。

     空中段OT：大部分C类飞机的入口速度均在224~260km/h，飞机在此阶段速度变化较小，则飞机在该段所需时间为：

                 t_OT=S_a/V_T

     式中：V_T为接地速度，与入口速度均取为250km/h（69.44m/s）；S_a为接地点与跑道入口端之间的长度（m），一般为300~500m。

    减速段TB：该段为飞机接地后减速至快滑容许最大转出速度的阶段，飞机在该段所需时间为：

t_TB=（V_T-V₀₁）/a

S_TB=（V_T2-V₀₁₂）/2a 

     式中：S_TB为飞机接地后减速至V_O1所需长度（m），V_O1为快滑容许最大转出速度，取为93km/h（25.83m/s）；a为飞机着陆滑跑减速度（m/s²），从飞行手册中查取飞机的接地速度及相应的着陆滑跑距离推算得出。

     单一机型时，快滑转出点距跑道端O的距离即应按L_B1=S_a+S_TB确定，但由于飞机降落滑跑距离受气候、跑道状况（摩擦系数、干湿度、纵坡设计等）、反喷、飞行员驾驶习惯等多种因素的影响，实际的着陆距离统计分析表明，各机型的着陆距离基本都近似地服从均值为μ，标准差为σ的正态分布，可表示为N（μ，σ²）。由此可知，S_B=S_a+S_TB的实际分布也应服从正态分布^{[5] [6]}。

     考虑到机型手册着陆所需跑道长度已考虑驾驶误差放大系数K₀=1.67（1.67为飞机在干跑道上驾驶准确的着陆距离换算为在湿跑道上驾驶误差较大的着陆距离的换算系数），本次将放大系数取为K=1.33（着陆距离放大系数的一半）后确定的跑道着陆距离假设为均值μ。假定实际着陆距离分布在1~1.67倍标准着陆距离（μ±3σ）的概率为99.73%，按超出1.67倍标准着陆距离的不利情况不大于0.13%的概率计算σ，取S_a为400m。

     匀速滑行段BB₁：该段为飞机减速至V_O1后以V_O1的速度匀速滑行至快滑转出点B₁，飞机在该段所需时间为：

t_BB1=S_BB1/V_O1

S_BB1=L_B1-S_B

     式中：S_BB1为飞机减速至V_O1后以V_O1的速度匀速滑行至快滑转出点B₁的长度（m），L_B1为快滑转出点距跑道入口端长度（m），S_B为飞机减速至V_O1时距跑道入口端长度（m）。

     快速出口滑行段：该段为飞机从转出点以V_O1的速度减速至V_O2，然后以V_O2的速度匀速滑行至平行滑行道D₁处，V_O2为飞机在直角出口处的速度，取为30km/h（8.33m/s）。

     为满足飞机在快滑出口直线段末端处能完全停住的要求，按照曲线段减速度0.76m/s²、直线段减速度1.52m/s²，经计算后当跑道与平行滑行道间距为158m时，快滑与跑道的交角取27°较为合适。并据此计算飞机在快滑出口滑行段的滑行距离为430.31m，滑行时间为30.12s。则降落飞机从进入跑道端开始至通过快滑进入平行滑行道所需时间t为：

t=t_OT+t_TB+t_BB1+30.12

2. 从跑道端出口滑行道脱离跑道

_{图2 降落飞机从跑道端出口滑行道脱离跑道运动过程}

     降落飞机从跑道端出口滑行道脱离跑道运动过程如图2所示。OB段为飞机在跑道上减速至V_O1时与跑道入口端之间的长度，其滑行时间与飞机从快速出口脱离跑道一致。

     匀速滑行段BB_c：该段为飞机减速至快滑出口速度V_O1后以V_O1的速度匀速滑行至减速点B_c的阶段，飞机在该段所需时间为：

t_BBc=S_BBc/V_O1

S_BBc=L+S_BnDn-S_BcBd-S_BdDn-S_B

     式中S_BBc为飞机以V_O1的速度匀速滑行段长度（m），L为跑道长度，S_BcBd为飞机以V_O1的速度按1.52m/s²的减速度减速至V_O2时的长度（m），S_BdDn为跑道末端以V_O2的速度匀速滑行长度（m）。

     减速段B_cB_d：在B_c点开始以V_O1的速度按1.52m/s²的减速度减速至V^O2，飞机在该段所需时间为：

t_BcBd=（V₀₁-V₀₂）/1.52 

S_BcBd=（V₀₁₂-V₀₂₂）/（2×1.52） 

     匀速滑行段B_dD_n：考虑到该位置位于跑道末端，假设在距离跑道末端B_n处提前100m时减速至V_O2，并在B_d到B_n段以V_O2的速度匀速滑行，此后继续以V_O2的速度转入进口滑行道后滑行至D_n。

t_BdDn=S_BdDn/V_O2

    式中S_BdDn为B_d与D_n之间的滑行长度，取为258m，其中B_d与B_n之间的滑行长度为100m，B_n与D_n之间的滑行长度为158m。

     综上，则降落飞机从进入跑道端开始至通过跑道端出口滑行道进入平行滑行道所需时间t为：

t=t_OT+t_TB+t_BBc+t_BcBd+ t_BdDn

算例分析

    据统计，B737-700/800/900和A319/A320/A321几种机型占我国C类飞机运营比例的90%以上，故本次以上述六种机型组合进行快滑位置的计算。西北地区某支线机场标高约为1300m，假定该机场年降落架次为10000架次，上述六型飞机飞行架次分别为400、3000、400、1000、1200、4000，湿跑道比例为20%。经计算后，上述机型减速至快滑出口速度V_O1时的位置S_B所服从的正态分布参数如下：

     各机型干跑道和湿跑道条件下S_B的频数分布如图3、图4所示：

图3  干跑道S_B的频数分布图

图4  湿跑道S_B的频数分布图

     将上述假定的10000架次飞机减速至V_O1时的位置S_B代入前述模型后分别计算每一架次飞机脱离跑道滑行至平行滑行道的时间累计后计算每架飞机平均占用跑道时间。

1.出口数为1时的快速出口位置

     当快滑数量为1时，计算平均跑道占用时间t与L_B1的关系如图5所示，快滑转出点距离跑道端的距离为1650m时，每架飞机的平均占用跑道时间t最小为70.14s。

    当L_B1小于1650m时，L_B1每减少100m，平均占用跑道时间t增加约8~13s，当L_B1大于1650m时，L_B1每增加100m，跑道平均占用时间t增加约3~4s。

图5  单条快滑时跑道平均占用时间t与L_B1关系

2.出口数为2时的快速出口位置

     当快滑数量为2时，在不同的快滑间距条件下计算平均占用跑道时间t与第一快滑转出点距离L_B1的关系如图6所示，第一快滑转出点距离跑道端的距离L_B1为1450m时、第二快滑转出点距离跑道端的距离L_B2为1750m时时，每架飞机的平均占用跑道时间t最小为64.16s。当L_B1大于1450m时，不同快滑间距的跑道平均占用时间差别不大（均小于2s），且随着第一快滑距离的不断增大，不同快滑间距的跑道占用时间逐渐趋近于一致。

图6  两条快滑时跑道平均占用时间t与L_B1关系

3.快滑位置与利用率关系

     快滑出口利用率是指SB小于快滑出口位置的飞机架次比例与全部架次的比例。快滑出口位置与利用率的关系如图7所示，从减少飞机在跑道上的滑行距离和占用时间最短考虑，当仅设置一条快滑时，快滑位置应按照满足所有架次飞机利用率约为93.6%考虑，平均占用跑道时间约为70.14s；当设置两条快滑时，第一条快滑利用率约为65.8%，第二条快滑利用率约为97.6%（实际使用该快滑脱离的架次占总架次的比例约为31.8%），平均占用跑道时间约为64.16s；当设置两条快滑分近、远期分别建设时，宜先建设距跑道端距离较远的第二快滑，利用率约为97.6%，平均占用跑道时间约为71.81s（若近期建设距跑道端距离较近的第一快滑，则平均占用时间跑道约为79.80s）。

图7  快滑出口位置与利用率关系曲线

结语