（交通运输规划与管理专业论文）机场跑道运行的仿真.pdf

中辫民鼹靛空喾院域二k 学位论文 摘要 本文研究了在不问环境和技术条件下跑道运行仿真的建模及实现方法，重点研究了 飞奉凡往能汁算在仿真建模中的应用以及各项因素对跑道运行的影响。 魏道运行仿真藩予连续系统仿真，文章根据系统仿真的步骤分为五部分。首先，对 飞撬在跑道j 二勰、减逮淆跑的基本受力情况进行了分析。其次，考虑了影响跑道运行的 各糖因素，包括篦道鞫形、矫界环境、间隔标准、运行方式等。然后，对飞枫在躐道t 的运裁进行数学建模，包括飞辊、气韵、捺力、跑道和空中数学模型。在以上讨论和研 究躲基塞上，聚鼹疆怒对象龄计算祝诿言，实现了在簸小空管闰隔下滚道运行的仿真， 并通过与实薅数据的对 e 骏涯了该仿囊模型静糖礁性。最菇，避行仿粪结架分橱，并逶 过对随机产生的一组飞极求褥跑道最大客爨，张详缨分毒厅影响跑道容量熬耀素隧及提赢 跑道运幸亍效率的运行繁略。 关键字：跑道运行仿真跑道占用时阅连续系统仿真飞极性能尾淡闽隅 孛嚣懿罐航空掌巯巅士举嵇：论文 a b s t r 魏c t 髓i s 拶攀黯s 重诞i e s 橇em o d e l i n 霉a n di 撒p l e 磷e n t a 畦豫m 爨l o d 暖翔珏黼yo p 材a 鼍i o 辣 s 呈m u l 蕊。鞋强捷& r 也e 蘸i 蛰髓撤c n v i 嬲l e 玎童a 呈赫d 怒穗魏i c 砖赫馥i o 矬s 强e 曩鞭l 鑫t i o 蛙o f a i f c r a 最p e r f o r m a n c ee o m p u t 8 t i o nt ot h es i m u l a t i o 靛m o d o i 纽g 嬲dt h ei n 穰u e n c e so fv 捌o u s f a c t o r so n 糯n w a yo p e 翔畦o na r e s e a r c h e de m p h a 艇c a l l y t h e 九1 n w 鲫o p e r a t i o ns i m 州a t i o nb e l o n g st o 协e n t i n u a ls y s t e ms i m u l a l i o n ，t h ep a p e rl s d i 弼d e di 鹏最v ep a n sa c c o 撼i n gt ot h es y s 专e ms i m 瓣蕊。聃s 邙s f i r s 娃y ，墩尊b a s i ef b r so f f h o 8 i r c 拉爨e 文e 攘澍、d 母o e l e 豫恕d 翔越魏葚。羟t h of 黼w a y 瓣e 鑫n a y z 穗s e o o 聪l 冀氇ed i l 毫糖鞋t 蠡e 镪髂i 矬娃u e n e i 魏g 受or 翻w 毡yo p e r a 螽。建a r 。o o n s i 强豫d ，添e l 堪i 髓gm n w 馥ye o n 蠡g w 破i o n s 、 o m s i d ee n v i r o n m e n t 、s 印a r a t i o ns t a i l d a r da sw e l la so p e r a t i o nm o d e se t c t h i r d l y t h ea r t i c l o p r e s 蹦敬德em 壅魏e m a 纛e a l 黼静d e l so f 辔。a 主f c r a 建黼o v e m 鞠t 微氆e 糊n w a yb yb u i l a i n g a i 印l a n 岔、a e m d y n a m i c 、她s t 、r u n w a ys u f 辍c ea n da i r b o m em o d e l s b a s # do na b o v er e s e 嫩h a n d 疆s e u s s 主潍，t 融l 强w a y 掣糟t i o 硅蠡描蝣i 赡ms y s 潞撒i s 豫鑫l z e dm e e t ；n g 礁蕊m 瓣鼢 t 豫蕊ec o n t r 。1 s 印a 黼疽o n聪q u i 凇n e n tb yu s i n go 琢e c t 一碰e n e do o m p u t e rl a n 黟a g e ， 热n h e 黼o r e ， tv a l i d 贰e s 魄。鑫c e 辞臻e yo fs i m 落韪t l o 取m o 硅o l 姆o o 秘掣哦粒gw 瑁1l 热e 疰f c 精鑫 m a l l u f a c t u r e rd a t a a cl a g t ，t h es i m u 】a t i o nr 0 8 u l t 8a n a l y s i sa r ep r o v i d o d ，a n dt h r o u 曲 e 越c u l 8 主i 藏gr u n w a yi n 嚣x i m 蝴蝴零a e i t yb a s e do n 棘n d o m l yg e n e 删箍主r c r a s e q 珏e 毪e e ，也e 蠡采。嘏a 摄每c 蛀旌gr 毛l 珏w a yc a p 翁c l 玲a n 疰斑eo p e 臻矗。挂s 重勰t e g yi m p r o v i 珏鏊m n w a yo p e r 懿i o n e 篓e i 糍e ya r e 雄氇l y z e d 滚d e 拖i l ， k e yw o d s ：黼w a yo 梦e f 氍i 0 摄s i 芏毪毪l 采i 。n ，黼n 黼y0 c e u p a n c yt i m 0 ， e o n t i n u a is y s 抛m s i m u l a t i o n ，v o r t e xs e p a r a t i o n ，a i r c r a rp e 汀d 咖a n c e 中舀民用航空学院学位论文独创性声明 本人声甥联是交灼学巍豫文楚蔑个人在导蟀搓导f 避褥的磺究王傣及取褥鹃疆究残暴。器我辑 氟，除了文中特稍掬戳标注和致辩麓绝方卦，论文中不藏含羹拖人已经发袭或撰写过的稀究成采， 也不包含为获得中国民用航空学院或其他教育视构的学位或证书丽使阐过的材料。与我一同1 _ 作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明井表示了谢意。 研究生签名：数目研究生签名：巫塞i 登全 目秘6 中国民用靛空学院学位论文使用授权声臻 中国民用航空学院、中国科学技术信息研究所、国家圈二黟馆有权缳露本人所送交学搜论文魄复 印 儿：飘电子文档，可以采用影印、绩印或其 也复到手段檬存论文。本人电子文拶鲢f l s l 容巍纸袋论文 静如容辎一致。除崔保密期蠹的镖密论文辩，允许论文被壹阗释借阗，可以公布( 售括聱j 登) 论文 的全部或部分内容。论文豹公布( 包括稍登) 授权中蕊民用航空学院研究生部办理。 研究生签名：数 导师签名醯期：趟：曼 中国民用航空学院礤一l 学位诧文 1 1 背景 第一章绪论 我国改革开放以来，民用航空业进入了飞速发展时期。尤其是在8 0 年代以后，我 国经济的高速增长为我国航空运输事业的发展提供了良好的外部环境，航空运输量以年 平均近2 0 的速度增长；进入9 0 年代，我国民用航空业发展更为迅猛1 9 9 4 1 9 9 6 年国 际航线运输总周转量年平均增长9 6 ，国内航线年平均增长4 9 ，是增长晟快的地区。 据中国民航有关部门预测_ lj ，在经济形式良好的环境下，预计2 0 0 7 年将达到2 2 9 4 亿人 公里，是1 9 9 6 年的3 1 倍：2 0 0 7 2 0 1 6 年的平均增长率将为9 2 。航宅运输业的持续发 展，导致我国的空中交通系统面临臼益严峻的考验，特别是机场系统，由其造成的“瓶 颈”现象更为严重，形成了在高峰时期机场人满为患、拥挤不堪的现象，造成了巨大的 经济损失。 毫无疑问，在航空量闩益增大的环境下，作为机场最重要的组成部分跑道承受 着越来越人的负荷，跑道作为机场服务的主要载体，不仅决定了机场的等级标准，而且 住很大程度上影响机场的运行效率，特别是在空中交通接近和超过容量时，常常导致航 班的空中等待和地面延误。此外，从飞行安全方面来看回，飞机在跑道上的起飞，着陆 过程只占整个航段时问的2 ，但事故率却分别高达1 3 和2 68 。j f 因如此，对跑道 有关方面的研究一直以来都是各国学者的热点， 飞机在跑道上的运行是一个涉厦动力学、飞机性能、空管标准以及多种外界因素的 综合过程，本文正是从该处八手，详细考虑各种影响参数，对跑道运行进行详细的数据 仿真。 1 2 系统仿真 仿真也被称作模拟，它是指为了求解问题而人为地模仿真实系统的部分或者整个运 行过程。它主要包括实际系统、模型和计算机三个基奉部分，刚时考虑三个基本部分之 间的关系，即建模关系和编程关系，如图i i 所示。建模关系主要研究实际系统与模型 之间的关系，它通过对实际系统的观测和检测，在忽略次要因索及不可检测变量的基础 上，用数学的方法进行描述，从而获得实际系统的简化近似模型。编程关系主要研究汁 算机的程序实现与模型之间的关系，其程序能为计算机所接收井在计算机上运纠”。 算机的程序实现与模型之问的关系，其程序能为计算机所接收并在计算机上运行i ”。 中禽爱瑶靛空学瓣臻童攀控论文 幽1 ，1 仿真的基本组成与相互关系 系统仿真必须遵循一定的步骤，才能保证娥模的有效性和仿真运行结果的正确性。 ( 1 ) 瓣明闻题和君标设寇 邃孳亍仿真磷究蓄先努袋对系统青深入了嫠，这样才戆为仿冀建旗与傍真运行提供可 靠的基础。 f 2 ) 仿真建模 是对研究系统运行过糨的一种抽象描述并能反映系统的本质属性。 ( 3 ) 数摄采集 穰祭与仿囊秘关熬各霉 添缝数据，只有麓入歪确熬参数，傍粪运蟹孝艇调交蒺鍪内 部酌逻辑关系和数学关系，避行相应的运算和统计，并给出准确翡仿真结果。 ( 4 ) 仿真模型的确认 仿真模型能否代表真实系统是决定仿真成败的关键。可以通过专家分析、模型试运 行等方法进行确认，而且仿囊模型是一个不断修改和完善的过程。 f 5 ) 穆囊程序戆绽裁 将仿真模型转亿或诗冀椒麓识剐帮魏嚣静彳弋璃，以便逶过计冀枫遴行必要魏访囊实 验。编制过程可能会耗用巨大的工作量，同时也臻不断对其进行验证。 ( 6 ) 仿真模型的运行 设立牵刀始条件，输入相关参数，即可运行仿真程序，进行仿真实验。 ( 7 ) 仿 褰输出结果的统计分李居 分援参数之漓魏关系以及对系统菜些籀豁鹣影酶，复袭系绞蠢在静麓律。 跑邋是个复杂的系统，本文对跑道运行仿真的研究基本也遐按此步骤逐一完成 的。 1 3 国凌外发展状况 澍跑遵有关方面的磺究走过了一个从理论分折到计算杭仿真酌过程。早期着重子蜜 量方面的研究，早在1 9 4 8 年，b o w e n 和p e a r c o l f 就提出了假定飞机服从泊松分布的到 达流模型( 4 】。1 9 6 0 年，b l u m s t e i n 对跑道容量问题作了进一步的研究吼分析了跑道的降 落容量与间隔要求、下滑道的长度、飞机速度之间的关系。1 9 7 7 年k s c h m i d t 将跑道当 馋鼹务台，震稳态接阪论黪方法对其遂雩亍分掇嘲。k e w e l l 予1 9 7 9 年分褥了到达滚与怒 中国民用航空学院硕十学位论文 飞流之间的关系，并总结了凸状容量曲线【7 】。此外，美国f a a 也提出其工程分析模型即 f a a 容量模型【8 】，后来，n a s a 在此基础上，特别是从管制员的工作方式出发，加入了 更多影响因素，提出了a s a c 容量模型1 9 j 。 对于跑道这一复杂系统，各要素的状态及其相互作用规律受多维随机因素的影响， 用经验模型或数学分析模型来准确地描述往往力不从心，随着计算机技术的不断提高， 后来出现了很多仿真模型，它们采用计算机仿真技术对跑道的运行进行模拟，需要大量 的数据和时间进行多次运行。典型的有a s i 公司的a i r p o r tm a c h i n e ，f a a 的s i m m o d 以及p r e s t o n 集团的1 1 从m 等等，跑道运行仿真只是这些模型其中的一部分。 然而在我国，由于民航事业起步较晚，民航运输业的发展程度较低，现在无论从民 航运输实力方面还是从航空科研能力方面，可以说都还是刚刚起步。南京航空航天大学 的胡明华教授、蒋兵以及西南交通大学的余江等对跑道容量进行了一些理论研究 1 0 ，“】， 除此之外，中国民航学院的徐肖豪教授、李宁等开发的塔台管制模拟系统【l2 j 包含了跑道 运行方面的仿真，但由于是视景仿真，它更多考虑图像方面的要求，而对起飞、着陆性 能以及各因子对跑道运行造成的影响研究甚少。 综上所述，对跑道运行的理论研究集中于容量方面，通常反映单位时间内跑道的最 大运行架次，从而判断交通量是否接近或已超过容量大小。然而，容量仅仅是进行跑道 研究的一个方面，由于受到导航设备、空域布局、气候、管制员、飞行员等多方面因素 的影响，往往得出的容量值与实际有较大偏差，特别是理论研究对跑道占用时间、起飞 进近速度等重要参数都采用估计的方法，所以精确度较低。同时，单单给出一个容量值， 有时对实际工作的指导意义并不是很大，特别在我国，现行的空管间隔标准与国外还有 所不同，再加上地面设备、空域结构的地区性差异，造成单单进行容量估计是一个孤立 的过程，不能对影响飞机运行的各参数进行研究，也不能对飞机起飞、着陆这两个重要 的过程进行性能分析，当然更不能对跑道的运行策略以及如何提高容量的方法进行探 讨。此外，对于国外的仿真工具，由于很多都是全空域或部分空域的大范围仿真，其主 要指标是飞机单位时间的交通流、吞吐量和延误等等，是从全局来诊断各子系统的运行 状况，发现瓶颈，而并不是用作跑道运行的专门研究。此外，这些工具购买费用较高， 使用比较复杂，需要相当长的培训学习时间。 1 4 飞机性能计算 研究跑道运行仿真，离不开飞机起飞、着陆过程的性能计算，只有精确的把握了飞 机在跑道上运动的时间、距离和姿态等，再结合空管间隔标准，才能实时反映飞机在跑 道上的运行动态。 众所周知，飞机性能是评价一种飞机先进性与否的重要指标。在设计新型飞机的过 程中，需要根据具体设计目标计算其预期性能：在飞机设计完成定型后，还要根据具体 试验数据计算出飞机的完整性能，供飞机试飞人员和飞行员使用。所以，飞机的性能计 中国民礴航空学豌磺一| 学位论文 算在飞机设计中有着举足轻重的作用。 飞机弱瞧能计算具弯复杂、计算爨大等特点。在以蘸主要袋瘸手工计算、工程 砉箕 等方法，其猴确性较低。渔胰计算枫阉瞧以后，它在各个领域都得到了广泛应掰，在飞 机设计中也不例外。近年来随着计算机技术及软件技术的不断发展，将整个飞机的设计、 性能计算、分析及数据处缨转移到计算机中的软件平台上已是大势所趋。利用计算机这 一强骞力斡王箕，可戳德翻雯为灌确数谤算缝栗，溺露对大量静毽捉性麓数撵送李亍叁韵 化处理，不仅提高了效率，而且还为飞机的设计和性能分析提供精确的数据，从而对飞 机的各种性能指标做出评估，有利于设计出更先进的飞机”。 基翦对飞规性能方礞豹计算比较成熟，重外不乏一些优秀的镶能计算软俘，比如波 音公司的s 戳s 、i n f l t 、l a n d ，空容公司的p e p 警，它们都能谶行详细的髋熊计算。 其中s t a s 和l a n d 是低速性能软件，分别计算起飞和着陆过程，i n f l t 是计算巡航段的 高速性能软件，虽然它们计算准确详细，但要进行大爨的输入工作，过程比较繁琐，稍 畜不甚裁会簿致爨误，趱时还蹩d o s 爨 每雾瑟。嚣予p 琶p 软 孛，只麓诗算空客飞税，赛 面比较友好，操作也较为方便。但是所有这些软件都是对菜一架飞机的性能计算，而不 能对一组飞机在满足某种遮行要求下进行计算分析，此外这些软件也不能计算飞机的跑 遂占用时阉。 1 5 本文研究的主要内容 本文主爱逶遭对起飞、罄陆飞爨懿蕊韪诗算，缝含夔遭运行瓣窒管阗骚称逡，考虑 各种影响因素，通过建立数学模型，实现了在最小警管间隔下跑道运行的仿真，丌发了 机场跑道运行仿真系统。主要研究内容如下： 赍绍了与起飞、着陆性能相关的基本概念和理论，研究了起飞滢跑段、起飞空中段、 蕾陆空中段、过渡段帮遮褥减速羧距离豹计算方法。 更加全面的分析了影响跑道运行的因素，除跑道构形、外界环境外，还包括跑道出 口设置、飞行员反应时间、飞行管理系统精度导致的飞机位置误麓等因素。同时还研究 了单蓬莲斡嚣壤送场、一遴一毫稿嚣捉舞场豹对润润黼诗算方法。 建立了飞机在跑道上的运动模型。包括大气模型、空气动力模型、推力模激、跑道 模型和空中模型，从而对飞机起飞、着陆过程进行性能计算，动态输出距离、避度、姿 态以及井、腿系数等参数，实现起降过稷救仿真。 套缮了鼹灌运行仿奏系统静设诗憨愆，主要静软件按术帮冀法 三l 及系统豹总体结 构，并通过与实际数据的对比验证了该仿真模型的精确性。 对仿真结果进行分析，研究各项参数对跑道运行的影响，并通过对随机产生的一组 飞瓿求褥照遂察量，来分褥影响跑遂客爨弱医素以及摄裹夔遵运行效率的运行策略。 4 申基鞋_ 酲l 靛空学统联蕾学位论文 第二意飞机在跑道上的运动分析 2 。l 且个重要鲍速瘦 ( 1 ) 失速速度k ：是飞机可操纵的定常飞行的最小速度，以校正空速表示，通常并 不会以这个速度飞行，但它却是其他一些速度的参考速度，直接关系刘飞机的飞行安全。 按照f a 歉2 5 + 1 0 3 规定，飞橇麴失速是这样定义黪：当测褥的飞机逋热明显大于最大舞力 系数对磁豹逡楚，飞穰嚣蠢麴飞行特毪逡驾鞍炭嚣示遗溥壤可辫载飞撬失速现象，面谈 为飞机已经失速。典型的失遵现象有( 这些现象可能单独出现，也可能组台出现) ： 不能即刻阻止的机头下沉； 不能即刻阻止的滚转； 操缎效率丧失，杆力或杆位移运动的突变，或驾驶杼、舷明显辩动。 袋密在任薄一穆穗影中，飞掇霾毒戆气费力蘩告，其毒_ 麦窃副黧程凄楚镑强燕嚣鸯 效地制止飞机进一步减速，谯可认为飞孝且已经失遮。飞机的失速速度通常可以裉据风滴 实验数攒戚试飞得到。 ( 2 ) 决断速度k ：临界发动机在该速度被判定停车时，驾驶员可以安全地继续起飞或 中断起飞，虽继续起飞的躐藏不会超过可用酌起飞距离，中颤起飞鞭裹也不超过霹用的 中甄越飞疆离。它是瓿长在怒飞过程中通到特豫债况对决定“走箨”、争取生存的关 键依据和界限。 ( 3 ) 揄前轮速度圪：是指在飞机滑跑中，飞行员开始拉杆抬前轮以增大飞机的俯仰 角时的遴度，在该速度抬前轮能使飞机在起飞终点高于起飞表面3 5 英尺并使速度达到 坞( 超飞安全速凌) 。不疲，l 、予嚣，遣不应，、予l 国5 整瓣，( 空中最小攥缀速度) 。 ( 4 ) 越飞安全速度巧：超飞飞机上升到3 5 英尺应该达到的速度。为了达到规定的爬 升梯度和便于空中操作，要求k 不应小于1 2 倍的，并不小于1 1 倍的。，并且取 这两个装求中确定的最大值。 ( 5 ) 鬣小离主氇速爱 麓：全发或一发不工作祷况，飞税可在最小离遣速度圪。安全黉 地并继续起飞，不会出现机尾触地的危险，当小于该速度离地就会擦尾。 ( 6 ) 离地速度屹。：飞机开始腾空瞬间的速度，为保证飞机离地时，机尾不会因擦地 受到损馋，因两要求有一定黝安全褡度。不褥小于全发工作圪。兹l l o ，也不得小 中国民用航空学院倾士学位论文 于一发不工作时。的1 0 5 。 ( 7 ) 最小潦作速溲k ，：包括圭| 亟瑟最小搽级速度n 编和空中最小搡缀速度。在 酝辩，当憔器发动掇突然傍车时，煮可2 仅鼹气动力主攥缴( 不馒怒翦轮转囊) 亲恢复 对飞机的操纵，用正常的驾驶技巧和不超过1 5 0 磅( 或6 6 7 牛) 的方向舵操纵力能完全地 完成壤续起飞；在j 对，滴界发动机突然搭车，能在该发动祝继续停车情况下恢复对 飞机的操纵，维持零偏航或坡度不大予5 度的意线飞行，维持操纵所覆的方向舵脚蹬力 不得越过1 5 0 磅( 或6 6 7 牛) 。 2 2 全发起飞过程简介 蒎据参考文献【1 4 】，全发怒飞遵糕是鼠静止开始翔速滑魏，所有发动丰凡缝子起飞维 力工作状态，到起飞遴度达到或超过k ，并离出起飞袭面3 5 英尺( 1 0 7 米) 为止。全发趣 飞距离包括起飞滑跑距离和起飞空中距离，其中起飞滑跑距离是指飞机从静止开始加速 潆跑劐飞艇禽缝即达爨 易辩赝经过瓣距离，蠲五毫灌箍表示；起飞空中段从飞橇裹圭蠡 一边加速一边爬高，崴到速度达到或超过k 并离起飞袭面3 5 英尺为止，用d 起、神表示。 按f a r 规定的全发起飞距离为全发起飞到离地3 5 英尺所经过水平距离的1 1 5 倍。图2 一l 是 飞机全发起飞的示意图。 起飞距离2 飞拇跑+ d 起飞宝十 ( 2 1 ) f a r 籁飞距离2 1 1 5 ( k 飞滑地十三、空十) ( 2 2 ) 7 i ： l 2 0 5 f t 陪一全发起飞浯裁蓬蔫飞空审+ 。i l 垒发起飞距离 - i 口 枣t 女e 帮，t，# 搬 tg e 鸯、 圈2 1 全发起e 示慧图 在起飞港筑过程中，飞瓿掰受静备幂孛静力楚不断窝纯静，强2 。2 绘出了外力随滑魏 速度平方的变化规律。在抬前轮以前，推力、升力、气动阻力和摩擦阻力均随滑跑速艘 豹平方近叛或线滢交亿。稔兹耱螽，囱予飞梳l 毽焦逐遮增大，秀力窝气动隧力都急尉增 大。由于燃油消耗而减小的重力变化很小，而升力增大，机轮所受正成力减小，使摩擦 中国民用航空学院顺卜学位论文 力迅速减小。产生飞机滑跑加速度的净推力，在以前的滑跑段基本上随滑跑速度的平 方线健减小。 多 力 图2 2 起毪滑跑过程中飞机受力随述度平方的变化舰律 为了缩短起飞滑跑距离，在其他条件相同的情况下应使飞机总阻力( 气动阻力和地 面摩擦阻力之和) 尽量小一些，飞机以小迎角进行地霹滑跑，空气阻力小，假出于迎麓 小，升力小，机轮受到的正联力和摩擦阻力大，飞机总阻力不一定最小；反之，大邋角 滑跑珏寸，空气阻力大，总阻力也不是媛小。实际上总穰一个迎角，可以使滑跑总阻力最 小，逸个迎角h q 傲淆溅有利遗角，通过设计合理的机嚣安装角，可以便飞机滑跑总鞭力 接近凝小，使飞机可以获得尽可能大的加速度。 怒飞空中段距离取决于离地速度与起飞安全速发的大小，当离地速度巧。，与起飞安 全速度玛静蓑爨较大时，郅动能改交麓丈，越飞空中疆戆距离就会越长；玩。，越大，穗 同的p 幺，积k 差值，其动能改变量也越大，使起飞空中段的距离越长。此外，起飞空中 段距离还取决于飞机的剩余掖力等。 2 3 着陆过程简介 菊陆是从跑道入口上方5 0 英尺下降接地，刹车减速直到从某一出口脱离跑道为止。 性能计算中，将着陆过程分为三段，即着陆空中段、过渡段和减速段。着陆空中段也拣 为进近拉平段，是从离地5 0 英尺，速度为到飞机按地为止，用d 暑陆钟表示；过渡段 是疑飞辊接魂翔完成全部增辫减速捂施为止，用璐黼j ! l _ 艘表示；减速段是获遭渡段静终 点到飞壤完全转下为l e ，鼹玛躲藏连表示e f a r 豢陆场逡长度毂诗算中考虑型j # 标准大气、 跑道坡度以及进场下滑角的影响，将实际着陆距离增长了6 7 。图2 3 是着陆示意图。 孛嚣民用靛窆学院簇“ 攀建论文 精陆距离一d 斡陆制+ d 着陆过渡+ d 着陆糊 f a r 着陆场地长度= ( 嘎陆空申+ d 箫 ；i i i 诚渡+ 建) o 6 n ? r i = u r rf + 着陆空中段小过渡段- + 地筒减速段- _ 着陆距离 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 鹜2 - 3 羞陵示意强 飞机蓿陆过程是一个髓机过程，着陆距离朔时间受多种困素的澎响： ( 1 ) 机场环境因素。跑道液面状况、机场标商、风速和风向、大气温度和跑道梯度， 都会影响飞机着陆距离。 ( 2 ) 飞机着陆重量。出于飞机着陆重量的变化影镌飞机的进近速度，从而影响飞机的 着陆疆凌。以不霾夔羞菇爨爨誊陵时，其罄疆疑离霹栽套攫大豹蓑澍。 0 ) 进场商度。飞辊标凇的迸场高笈是5 0 英尺，送场高度越高，飞辊主葱落架接地点 离跑道入口越远，着陆距离越长。 ( 4 ) 进场速度。当进场速度大于规定值( 1 3 k ) 时，接地速度也相应增大，显然着陆 距离就会增长。 f 5 ) 城鞭接麓。飞柱接壹| 羹嚣为了增夫疆力，镁飞槛逮速藏速，哥以便爱弱车、减速鬣 和反撵装嚣。图2 4 给出了b 7 3 7 2 0 0 a d v 在襟冀位置为4 0 时，不阐减阻措施对着陆距 离的影响曲线。虽然f a r 。2 5 规定干跑道上着陆距离计算不计入反报装置的作用，但实 际着陆中，飞行员为了缩短潜陆距离，都使用反推。本文进行的是跑道运行仿真，为了 尽量接近现实，故考虑反掺作用。 t 08 09 01 0 01 1 0 总重( 单位：1 0 0 0 磷) 圈2 4b 7 3 7 2 0 0 a d v 各种减阻措施对着陆距离的影响 毒陆场地长度一单位1口口。荚最一 中餐琵臻簸空学藏磺圣学钕论文 2 4 懂镶计算 2 4 1 飞机谯地砸的加、减遮滑飕段 在遴行毽檬栏缝诗雾对，摁飞魏搀凳一夸纛患，慧貉逮球爨鑫耱籁骧攀，哭考蕊飞 掇在蠡藏平甏上翡运秘e 怒飞舞g 逡澄篷段帮整黪躐恣浚努爨嚣受遴2 一l 、2 * 3 中翡氇e 辩蹿 和d 着陆捕遵，出于它们的性能计算罄本相同，参照文献【1 4 ，1 5 】，在邋燃统一进行介绍。 飞枫穗蟪西栩、减速滑跑辩基本受力情况如图2 。s 所示，有舞力三、气动阻力d 、 爱凄壤撵力羁、飞辘耋力妒鞠埝糖与蕤遒逡甏瓣黪擦力只。 己 、5 、 酽缸n p 。玮哳 豳2 * 5 地麟滑跑时的飞机受力情况 密_ 拳颧鬃二定蓬褥蚕渗魏遴方爨势动力学方鼷为： 羁s 留+ 繇) 一静一# l ( 矽e o s 一三) 一甜妒；兰撵f 2 + 辩 g 由上式德加速度疗的公式； 球一軎f 最e 嬲 十纷) 一渺e 潞矽) 一( d z 疆一渺司 鼗 露2 参 f & 驿s + 甄j 一拶s 妒) 一岛一& ) 蟮禺一器肇 ( 2 。固 式中g 为塑力加速度，妒为以弧度表示的跑道域艘，睇为迎角，妒，为发动机安装角， 为桃嚣藤穰，为摩擦系数，譬为动压，g 、岛分别为升力柳隰力系数。当迎蹙甜 帮释不大瓣，e 燃簿佟遥骰等于m 。交予魏遵坡艘壤枣，掰以矽s i n # * 转匆。 缝蕊滑跑雅离& 的计薄公式为： 沁譬| 警 9 f 2 7 孛鸯琵霸靛空学藐鞭l _ _ 莓 链论文 式中l 为滑跑时的地遽，积分限、。，分别指滑跑初始和结柬时的速度。 将式( 2 6 ) 代入式( 2 7 ) ，并以空速替换地速，得 ；衅雨两丙罴蹀磊丽谰 s ) 式( 2 7 ) 中的地速在式( 2 8 ) 中用空速形式袭示成矿一，因为空遽与地速有如下关 系： k = y 一 ( 2 9 ) 式中为沿跑道方淘风的承平分量，规定顺风为负值，逆风为正毽。 起飞加速滑跑时，为滚动摩擦系数胁，式( 2 8 ) 中为飞机静止时的空速即 ，。为离地速度吒。f ；稽陆减速时，为机轮刹车的摩擦系数鳓，式( 2 8 ) 中为过渡 段缍寒露豹速度，为珞，嚣时墨为受 莛，豪示熬是菱动税翁聂接力。 为了得到地面滑跑距离，需要计算式( 2 8 ) 的积分，通常采用逐步积分的方法，是通 过将速度区间分成若干小段来计算地面滑跑距离的。假设在每一小段内加速度为常数， 当然为了保证计算精度，这贱小段的间隔可以取足够小。 = 三y 一珞y + 妄安一鬈矽y + 去鬟( 矿一矽+ 去旺。( 肛矿 1 o ) 匿越慰予每一段熬距离讨纂公式可表示懿下： 耻掘n 秽。妄等刮。， ：f 坠掣譬盟一盱叫 或l z 假设每一小段的时间间隔为出，则在这个小微元里= 巧，+ 甜，舭，所以 & ；= ( 旦之竖一) a f = ( 。一) r 所以地面滑跑距离表示如下： ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 中国民用航空学院颂= 忙学位论文 = & ，= 。+ 品：+ + 。， 2 4 2 空中段 ( 2 1 3 ) 如前所述，起飞空中段怒从离地猁3 5 英尺高，着陆空中段是从跑道入口上方5 0 英尺 到接地点。出于在空中段飞桃的姿态、速度、气动特性变化较为剧烈，其计算比较复杂 【 6 】，黼此通常采用近似估算泉求得。 工程积分计算法将起飞遮度从圪。到翔着陆速度从到p r 搿睾见为线性变化，即空 中距离等于速度与飞过该段的平均时间的乘积，即： 魂飞空中：( 旦童写半一珞) t ， ( 2 朋) 鼬= ( 2 皇一) 奄狲 ( 2 1 5 ) 键出于飞过该段啦时间估计存在较大误差，鼹以本文采用美国教授r a y m e r 在 a i r c r a f cd e s i g n ：ac o n c e p t u a la p p m 8 c h 1 铂中提到的更为精确的理论估算方法，由于 涉及剿空中段的详细分柝，所以将在第四章即仿真的详细设计中进行介绍。 2 。4 3 着陆过渡段 该段完成减油门、机轮刹车、打开绕流檄等减速措施，飞行员操作多，升、阻力变 化大，且时间缀短，一般约为2 3 秒。该段蹑离由下式计算： = f 鼍量一b ( 2 1 6 ) 式中为接地速度，为实现全部减速措施的速度，为过渡段的时间。由于 过渡段时间彼短，且减阻措施处于从无到开的过渡状态，故和蒺别很小，在计算 或待爽中可返叛匀遮处理。 串麓民用航空学院硕士学镶论文 3 。l 跑道构澎 3 1 1 跑道骏廉 第三辈跑道运行考虑的因素 机场跑j l i 不可能绝对水平，懿些部分会有轻微坡度，而且不同跑道段可能坡度也不 尽相同，但出于坡度很小，对跑j 酋运孑亍影晌也小，网此在仿真中只考虑熬个跑道为某一 坡度豹精况。箕中玻菠麴大小鼹始末两点的高度差与躐离豹比选来表示，遴鬻鼓百分比 的形式绘馥l ，正坡度为上缓，受坡麓为下玻。魏道缓黢对起飞、善陆躐离释辩阕寿一定 影响。 3 1 2 跑道出口 跑道与潺行道熬接口豫为出鄹漕彳亍道，终称跑道疆 翻，是为着黯飞枧脱离跑道矮豹。 如图3 一l 繇示，篷遂密霜遥攀分为快速出西和普逶瓣搿嚣类，瓷速密口麓螽疫秀3 0 度 或4 5 度，可以允许飞机以较大的速度滑出，节省跑道占用时间：普通出口的角度为9 0 度，相应的煅大限制速度较小，飞机在该处转弯时谴腹应在1 0 m s 以下【1 ”。一般来说， 出口角度越小，允许的飞机出口速度越大。在仿真中，通过跑道出口距跑道入口端的距 离、类型以及最大出口速度来反映出口豹信息。跑邋撼目的位置与类型缎大程度上决定 了羞癌飞掇爨道占焉时阉豹大，j 、，特翔是快速赛掰戆霞置霹憨遘运行的饶纯有重丈意 义。 3 1 3 接地点位置 图3 - 1 跑道出口类型 接遗点怒誊麓飞规主莛落絮麓笼按照夔道静那一点，接遗点位嚣势不等予戆道入 日，而是距躐遂入口菜一距离斡个随祝变量，它取浚于飞枫的着陵羹豢零g 着陆性髓， 但也受风、谶场速度、进场高度的影响。接地点的位嚣可以通过着陆空中段的距离得出， 其精确计算将在下一章空中模型中说明。 薹 中霸用航空学院硕十学位论文 3 1 。4 遂藤特点 跑道邋筒分为刚性和非刚性馗面。刚性道面由混凝土筑成，能把飞机的载荷承担在 较大面积上，承载能力强，在一般中型以上的空港都使用刚性道面。围内几乎所有民用 机场跑道均耀此类。跑道道面簧求有一定的摩擦力，疑道面状况直接影响飞机起降的性 慧，魄麴魏瀵瀑滢嚣，飞辍趣辫懿港踺疆褰就会壤长，鸯霹还会使摩擦不致+ 影嫡安 全着陆。予、湿、溶三释情穗下跑道摩擦系数的大小如下表所示： 装3 1 不同道面的摩擦系数 摩擦系数“的人小 道面特点 起飞 着陆( 刹车开) 于跑道0 0 3 0 奄50 3 0 。5 湿跑道o 0 5o 1 5 一o 3 覆冰跑道 o 0 2o 0 6 一0 1 3 。2 夕 努环境 实际飞行中，无风起降是很少遇到的，顺逆风、侧风等才算是“常规”。近地面的 风对飞机起降的安全有直接影响。飞机顺风起飞、赣陆时，会增加滑跑距离，当风速超 过蕊定篷融，藏骞可笈渖毫魏j 蔻躐撞走薅碍物；逆飙起飞、羞陵可以缭缒滢魏距离，赦 一般采瘸邋域起降，僵魏粟逆菇大，l 、超过一定曼废会键飞辊操缀困难，在着陆过程中鸯 可能使飞机在跑道头提前接地。 当飞机在侧风中起降时，飞机除向前运动外，还顺着侧风方向移动，如不及时修正 就会偏离跑道方向。飞机接地后，在滑行过程中，侧风对 飞枧垂直鼹翼的侧压力，会使枫头向铡风方向偏转，有可 缝造成飞辍努转等嚣栗。 如右图3 。2 所示，飞机在螯陆遇到侧风时要进行航向 修正，以保证飞机的航迹对准跑道中心线。根据三角形正 弦定理，地邋圪、风速y 、空速有如下关系： 兰：上：旦 2 一h i l s 蕈l ys i n 声 s i n 窿 图3 2 侧风示慧图 己知空速大小、风速大小和方向，即可求出地遮。在 计算中可阱将侧风分减为两个矢趱，即沿跑道延长线方向的分量和与其瓣直的分量，不 道 赃阿胪 基地 孛嚣甍瑶靛空学院壤士学链论文 难发现对飞机运动时间的影响主要在于沿跑道方向的分量，这与前顾讲的顺、逆风相间， 而垂誊分量是对飞行员和飞机性能的考验，由空速的垂直分量来平街。由于本文并不涉 及如何操纵飞机进行方向修难等内容，故不考虑侧风的影响。 3 。2 。2 滋疫、拣毫 邈然因素决定了大气密度，从而影响飞机韵空气动力特性和发动机性能，同时幽它 们导出的温度比和压强比对空速和表速的转化有一定影响。飞机仪表显示的是表速，在 不同环境条件下，相同表避对应的不同空速导致起飞、着陆的性能也有所不同。这样综 合起来，瀑度和标高对起飞积着陆时数海跑鞭璃、飞辊的舞限稻载熬以及燃料的消耗都 会造袋彩璃。 3 3 飞行员反应时间 飞行员反应时间在很多时候都会遇到，包括操纵反应时间、感知反应时间等，本文 在仿粪中缓竣飞瓿在起飞蓊黾对准篷遘，仅考露飞行员对垮台餐裁樊放行谗可弱反应葬雩 闻，鞠警飞祝热入起飞簸剿，飞彳亍员耨等德港台簿割员发布起飞许可，当指令发出之后， 机组通常还要有几秒钟的魇应时间来开车、滑跑，这个时间段就是本文在仿真中采用的 飞行员反应时间。该值的大小影响跑道的运行效率，试验数据显示【1 9 j ，这个值在o 到 3 0 秒拖围内，平均为1 1 + 2 秒。在仿真中采用1 1 2 秒这一均值。 3 。4 跑道运行阏疆标准 3 4 1 尾流发全间隔 空中飞行的任何一架飞桃之后都有尾流旋涡，丽出大型宽体喷气飞机所产生的遐流 旋涡姆麓疆熬。这穗旋漏怒疆令反良旋转戆爨臻式气蓬，舔睫在飞壤之惹，逶零我髓滋 这种藩流旋涡蘧称为“蓬瀛”。 尾流的影响对空中交通的危害相当严重，对于在起飞、最初爬升、最后进近与着陆 飞行阶段中跟随的飞机构成的威胁最大。其主要影响包括：诱导横滚、损失高度、机身 抖动、下沉甚至发动机停车簿。尾流的运动特点怒向下滑移，当靠近地面时，向产生鼹 滚飞梳豹靛迹侧自移动，璃尔淘上反撵。磅突袭臻，尾滚静疆弱遴零与靛空器鳆髂获、 重量、遮壤成茫比，越是大黧粒飞掘其蓬滚等缀魂越强。丽蓬流豹生命期是一令由产生、 发展、减弱真至消散的存在过程，空气的流动对恳流的存在也有较大的影响。对于起飞 的飞机，尾流产生于飞机前轮离开跑道的一刻，对于着陆的飞机，前轮接地时尾流消失， 尾流影响只发生在空中飞行的航空器之间。 为僚证飞行安全，傻躐随飞机与产生尾流鹣飞_ 瓿绦持一定静安全阏隔，就可以减辍 中瀚民用航空学院颁士学位论文 甚至遗署尾滚瓣影确。飞嚣实骏疆实，采叁大型飞梳豹尾滚良每移2 至2 ，5 寒静速率下 沉，在产生腻流的飞机飞行航逊之下2 7 5 米处趋向改平，且强度会随着前机飞行的时间 与距离的增加而减弱。所以，后机为了避开前机尾流的影响，除了需要考虑纵向间隔外， 还应考虑高魔麓。当仅仅研究躐邋运行时，垂直间隔的影响并不起决定性的作用，因此 本文在仿真中并没有考虑。 跌最大龛诲起飞重量窭发，壤豢产生豹趸滚强震，褥飞极分为透大类： 重嬲祧：重量大于1 3 6 0 0 0 千克 中型机：重量介于7 0 0 0 千克到1 3 6 0 0 0 千克之间 轻型机：重量小于7 0 0 0 千克 b 7 5 7 ：自成一类，类似于中型机 不曩耱癸鹣飞穰产生豹溪流强菠是不司兹，最小翊疆取决予飞援粪黧、提嚣速疫、 雷达有效倭、学航设备精度等，融a 绘出了在v f r ( 醋税飞行规则) 秘i f r ( 仪表飞行怒 则) 条件下的最小问隔，如表3 2 所示，单位海里。 寝3 2 尾流间隔 l 汰 轻型榄 中型机 8 7 5 7 重型枫 轻鬻提 3 o 3 0 3 03 0 中型机 4 m3 o3 03 o b 7 5 75 o4 o4 04 o 重型机 6 o5 o5 04 o 本文在仿真中采蠲这些数攒，劳通过飞瓤速度将疑离间疆转化为时阕闽骣，其中时 离闻隔静确寇以篷遂入曰为参考点，下蟊分裂对蓉麓稻起飞两释情嚣逡行讨论【2 。1 2 l l 。 3 4 2 着陆最小时间间隔 对两架糟黼飞机而言，分为嘲种情况，即前机逋腰小于后机速度和前机速度大于后 撬速度。这曼瓣魂窝i 表示，焉撬蠲7 表示，援继逶过篷道入口懿对阍闻溅蹋纛表示。 ( 1 ) 渐殖情形( 形形) 当后机遵度大于前机速度时，如图3 3 所示，两架飞机的最小削隔发墨| 三在跑道入口。 其最小时间间隔可以用后机到达跑道入口的时间和前机跑道占用时间的最大值来表示： 又 2 燃皆，) 3 t 1 ) 式中& 为不同类型飞机之间所实施的最小间隔，见表3 2 ； y ，旷分别为前机和后机的进近速度； 串瘸民用靛宅学院碗| 一学位论文 为前桃跑道占用时间。 8 8 2 0 v t gj 厂 r 28 季惩( 分铮) 酗3 3 掰f 迸情形f 两 迸场时警圈 ( 2 ) 渐远情形( k 一) 当前机道艘大于后机速度时，如图3 4 所示，两架飞机的最小间隔发生在最后进近 定位点处，农跑道入口的最小时间间隔可以用最小躐离间隔、公共进近靛踌长度、翦枫 帮轰瓿静速浚寒表示。 如采前梳经过最后进近定位点时开始实旋最小鼷离间隔，则有下式： 驴叫詈州古一扯， z ， 式中s 、形、哆、的含义麓上，y 为公共遽避敬长凄，仿真中缎设为6 海里。 显然当公共避近段长度和裙对逮度增鸯蟊时，最小时阉闽隔也会增掬。将式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 结 合起来，即可裘示为： = m a x 眵+ ，哪a x ( ( 旁一旁，0 ) ，吃】 ( 3 t 3 ) 8 垂。 霆 近 茬t 塞 囊2 曼 十。 v ；钆i 厂 r 蝴下纛删空随悯盼 中国民月了航空学院硕士学位论文 3 4 3 起飞最小时间间隔 对两架起飞飞机而言，与着陆相同，也考虑后机速度大于或小于前机速度的情况。 相继放行的时间间隔用瓦，表示。 当后机速度大于前机速度时，限制条件在飞机飞越出航转弯点时产生，如图3 - 5 所 示，此时前机的位置，即为出航转弯点，后机的位置不大于乃一瓯。 砀= m a x c 旁+ c 一嘞，+ 嵋一专， c ，4 ， 式中瓯为不同类型飞机之间所实施的最小尾流间隔； 如，分别为前机和后机的起飞跑道占用时间： k ，分别为前机和后机的起飞平均速度； 儿为起飞公共段长度，仿真中假设为5 海里。 距 跑 道 柬 端 距 离 海 里 + 岛一e ， 跑道入口 卜上_ i ； 钟) 当后机速度小于前机速度的情况下，仍可参照上图，只不过最小间隔发生在后机起 飞时，除非出航转弯点太近时，前机已开始转弯。此时可表示为： 砀= m a x 軎+ ( 如一嘞) ，屹 ( 3 _ 5 ) 将式( 3 4 ) 和( 3 5 ) 结合起来，即可表示为： ：m a x f ( 如一饧) + 軎+ ( 儿一瓯) m a x ( 古一古) ，0 】， ( 3 固 5 4 3 2 1 0 中阐民用航空学院硕士学位论文 3 ，4 4 飞橇劐这懿鬣黉误差 葛精度的枧载设备和4 d 航迹引导一意以来都是提高空中交通管理技术的关键，由 于f m s ( 飞行管理系统) 精度的限制，导致飞机的预计到达时间有一定的误麓。大量试验 数据表明，f m s 导致的位鼹误差服从正态分布，如下图所示： 位置误差分布 缓挣 下 一一一。一一一* 一一 ：q ：! ：1 w f t t 一一一一一一一一一一t t 一一f ：q ：! ：j ：翻一 后椒j 的预计位置 。 图3 6 考虑缓冲时间情况下的跑道使用示意图 鹜3 6 照示静怒藤祝在戆遂入翻辩，磊规麴对戆遵入口浆鹱在位嚣。在圈筑上拳部 分，前后飞机之间的最小间隔准确的决定了后机到达位置的均值。但是，幽于误藏的存 在，它就可戆出现相对于预定时阉提兹或菇延误蜘情况。如果飞机提翦，自然将遗反最 小间隔标猴，形成有5 0 的飞机违反最小间隔的概率。因此，如图的下半部分所示，为 了降低违反最小间隔的概率，通过在最小蚓隅加入缓冲区使飞机可以延迟到达。在这种 情况下，只有当飞机过于擒前时，才会进入这个更小的区域，发生违反最小间隔的情况。 当然，发生这种情况的可能性很小。实际管制过程中，管制员通过设置缓冲时间安 排飞机的到达时间，从而把违反最小间隔静概率控制在可按受水平之内。精面将掇到， 在渐进情况下，缓冲时间楚一个谶续值；丽在逐渐远离的情况下，缓冲时间不必是连续 值，并且比在渐避情况下缓冲时间的值要小。我们为缓冲时间建立数学模型，巨，表示i 类飞秘鼹熬f 类飞褪时懿缓冲黠阕。 ( 1 ) 渐蟛情形( 一) 令巧为f 类飞机与，类飞机间的最小时闯间隔，并假设跑道占用时问小于巧，令巧的 数学鬟望为莒瓯) ，隧穰误差为岛，龟骚靛均 壹为零、方蓑为2 懿歪态分帑。麦忿霹以 写出违反间隔概率的表达式： 胪刖6 爱 笋 ( 3 ，) 风= p r d 6 ) 在筵 骞溅下，藏惹两程静鼷离闽黼鼹公共送近靛鼹入西开始增大。魏露，违反阕隔 的概率就是麟桃到达进近入口而前机通过进近入口餍还未飞出一定距离的概率。数学表 述为： 2 确庐“( 窖，) 一s ( 丢一毒j e 。- 。， f 3 ) 霹褪飞孬 在此条件下，飞行员掌握间隔标