軍用飛機使用民用機場時凈空要求的適用性研究

陳奇奇， 王觀虎*， 何小科

(1.空軍工程大學航空工程學院，陜西 西安 710038；2.中國人民解放軍91727部隊，浙江 寧波 315020)

隨著我國民用航空的高速發展，我國民用機場建設進入新階段。抓住民用機場建設的機遇期，在現有民用機場改擴建及新建機場規劃過程中，適時地提出相應國防標準并加以落實，對民用機場平戰時軍用飛機的使用、對軍事作戰能力的提升會奠定堅實的基礎。機場建設過程中，機場凈空是否滿足要求是首要考慮的一項內容，若凈空不滿足相應要求，則必須另選場址。不同等級的民用機場所規定的障礙物限制面不同，對障礙物的限制高度不同。在民用機場建設過程中，不僅要考慮其本身機場等級所需滿足的機場凈空，還要考慮該民用機場建成后所對應的軍用飛機機型所要求的機場凈空。近年來，不少研究者對軍用機場與民用機場的凈空范圍進行了分析[1-2]。范博分析了軍民用機場的凈空區尺寸要求，根據障礙物在民用機場的具體位置，建立了風險性預測模型[3]。盛昀建立角度前方交會法坐標系統，對疑似超高的物體進行測量[4]。劉曉鵬以綿陽機場為例，建立OAS面數學模型，分析了機場周圍建筑物是否超高[5]。

上述研究從不同角度分析了軍用機場與民用機場的凈空范圍，對本文有一定的參考和借鑒意義，但目前對于軍用機場與民用機場凈空范圍的適用性的分析還缺乏系統性。本文對不同等級的軍用機場和民用機場的凈空要求作簡要分析，分別從端凈空區和側凈空區兩個方面進行軍民用的對比研究。

1 軍用機場與民用機場凈空要求分析

1.1 軍用機場的凈空要求分析

根據《機場規劃設計》[6]，軍用機場凈空區包括升降帶、端凈空區和側凈空區，具體包括內水平面、錐形面、過渡面與外水平面等，其范圍和限高要求按照不同機場等級劃分，等級由低到高。軍用一級機場凈空區自升降帶向兩端各延伸14 km，向兩側各延伸6.5 km；軍用二級機場凈空區自升降帶向兩端兩側各延伸20 km與13.1 km；軍用三、四級機場凈空區自升降帶向兩端兩側各延伸20 km與15 km。分析發現，軍用一級與二級機場凈空區平行于跑道的錐形面邊線與外水平面邊線相切，而軍用三、四級機場錐形面與外水平面成包含關系，軍用機場的起飛與降落的凈空要求執行同樣標準。以軍用三、四級機場為例，其凈空平面圖如圖1所示，各等級軍用機場端凈空區與側凈空區障礙物限制面要求如表1、表2所示。

因此在研究軍用飛機使用民用機場能否滿足相應凈空要求時，就轉化為軍用飛機所對應的軍用機場等級與民用機場等級的凈空要求對比研究問題，通過對比求解計算即可得知民用機場在凈空要求方面能否滿足軍用飛機使用，若不能，需在民用機場建設過程中在不滿足條件的地方落實相應軍用凈空標準以滿足軍用飛機的起降要求，保證飛機的運行安全。

圖1 軍用三、四級機場凈空平面圖

1.2 民用機場的凈空要求分析

民用機場凈空區組成較為復雜，根據《民用機場飛行區技術標準》，凈空區具體包括內水平面、錐形面、升降帶、進近面、過渡面、復飛面與起飛爬升面，而進近面與過渡面中又包含內進近面與內過渡面，用于精密進近跑道。各個限制面的范圍與尺寸要求根據飛機起飛或降落以及降落所采取的進近程序不同而不同，而根據進近程序的不同將跑道劃分為3大類：非儀表跑道、非精密進近跑道和精密進近跑道，在精密進近跑道中又分為Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類精密進近跑道。由于民用機場凈空分類較多，以民用機場Ⅰ類精密進近跑道飛行區指標Ⅰ(3,4)凈空為例，如圖2所示。進近跑道與起飛跑道的障礙物限制面尺寸和坡度如表3、表4所示。

表1 軍用機場端凈空區障礙物限制面要求

表2 不同等級軍用機場側凈空區障礙物限制面要求

圖2 Ⅰ類精密進近跑道飛行區指標Ⅰ(3,4)凈空示意圖

由圖2可知，民用機場起飛和進近的凈空要求不同，且民用機場對復飛面的凈空要求也不同。由表3與表4可看出，在相同的跑道類別情況下，無論是從內邊長度、散開率還是坡度等指標，進近面的凈空要求較起飛爬升面與復飛面的凈空要求更加嚴格，且內進近面與內過渡面只用于精密進近跑道，而軍用機場并無內進近面與內過渡面。因此在后續民用機場與軍用機場凈空對比分析中，選取有代表性的民用機場進近面與軍用機場凈空要求進行對比分析，不再考慮起飛爬升面、復飛面、內進近面與內過渡面凈空要求。

1.3 軍用機場與民用機場凈空要求對比分析

通過上述分析可知，軍用機場和民用機場的凈空區均可視作由升降帶、端凈空區和側凈空區3部分組成，但民用機場凈空組成較軍用機場復雜，且其起飛降落所對應的凈空要求并不相同，分為起飛爬升面和進近面，而軍用機場起飛降落凈空要求完全相同。軍用機場凈空區包含外水平面而民用機場并無外水平面。

由表1～表4可知，在端凈空區，民用機場飛行區指標為Ⅰ(3)和Ⅰ(4)的非精密進近跑道和精密進近跑道與軍用一級機場凈空要求基本相同；在側凈空區，民用機場飛行區指標為Ⅰ(4)的非儀表跑道、非精密進近跑道和飛行區指標為Ⅰ(3)、Ⅰ(4)的精密進近跑道，與軍用一級機場凈空要求基本相同。因此，這些民用等級機場在建設中無須增加相應軍用標準即可滿足初級教練機和小型運輸機的正常使用。而軍用二級與三、四級機場凈空區要求較嚴，無論是從凈空區的長度還是限制高度都與民用機場范圍相差較大，特別是在側凈空區，其長度相差兩倍以上。且目前使用民用機場的軍用飛機大多為殲擊機、強擊機與轟炸機等，少有教練機等機型。因此，有必要對軍用二級與三、四級機場凈空要求與民用機場凈空要求做對比分析，求解出最嚴格的凈空標準，使民用機場按照最嚴格的凈空標準來建設，滿足軍用飛機的使用要求。

表3 進近跑道的障礙物限制面要求

表4 起飛跑道的障礙物限制面要求

2 軍用機場與民用機場端凈空分析

2.1 軍用機場端凈空分析

2.1.1 端凈空障礙物限制平面

軍用機場端凈空區長度20 000 m，從升降帶端線的兩端開始，同時以水平面15%的擴散率擴散至3 km。

2.1.2 端凈空障礙物限制面

軍用二級機場端凈空限制面共分為4段：第1段以1.33%的坡度上升，在距離跑道端中點1 600 m處上升至20 m高度；后繼續以2%坡度上升，在9 500 m處上升至180 m；在9 500～15 000 m區間內保持180 m限制高度不變；最后以4%坡度上升，直至在20 000 m處達到380 m限制高度。

軍用三、四級機場端凈空限制面同樣分為4段：第1段以1%的坡度上升，在距離跑道端中點3 000 m處上升至30 m高度；后繼續以2%坡度上升，在9 000 m處上升至150 m；在9 500～15 000 m區間內保持150 m限制高度不變；最后以4%坡度上升，直至在20 000 m處達到350 m限制高度。

2.2 民用機場端凈空分析

2.2.1 端凈空障礙物限制平面

由表5可知，民用機場端凈空區從升降帶端線的兩端開始，同時根據不同的跑道類型并以相應的百分率進行擴散，非儀表跑道和儀表跑道分別按照10%與15%的擴散率進行擴散，末端擴散寬度最小為380 m，最大為4 800 m。

民用機場跑道類型較多，但相同跑道類型規模大小相近，飛行區指標Ⅰ為3、4的儀表跑道與飛行區指標Ⅰ為1、2的精密進近跑道大致對應軍用二、三、四機場端凈空障礙物平面限制標準。限于篇幅原因，本文以飛行區指標Ⅰ為1、2的精密進近跑道為代表與軍用機場標準進行對比分析，確定出最嚴格的標準以供民用機場建設時使用，其他跑道類型端凈空標準可同理得到。

2.2.2 端凈空障礙物限制面

民用機場端凈空障礙物限制面根據跑道類型而定，非儀表跑道與飛行區指標Ⅰ為1、2的非精密進近跑道只有一段上升段，飛行區指標Ⅰ為3、4的非精密進近跑道和精密進近跑道共分為3段，前兩段為上升段，第3段為水平段。同理，本文以飛行區指標Ⅰ為3、4的儀表跑道為代表與軍用機場標準進行對比，飛行區指標Ⅰ為3、4的儀表跑道凈空障礙物限制面共分為3段：第1段以2%的坡度上升，在距離跑道端中點3 060 m處上升至60 m限制高度；后繼續以2.5%坡度上升，在6 600 m處上升至150 m；最后在6 600～15 000 m處保持150 m限制高度不變。

表5 民用機場的端凈空障礙物平面限制

2.3 軍用機場與民用機場端凈空對比分析

2.3.1 端凈空區障礙物限制平面對比

根據2.1節與2.2節分析，將軍用二、三、四級機場與飛行區指標Ⅰ為1、2的精密進近跑道端凈空限制平面放在同一個坐標系內，以跑道端中點為原點，構建分段函數模型。

軍用二、三、四級機場端凈空限制平面函數模型：

(1)

飛行區指標Ⅰ為1、2的精密進近跑道端凈空限制平面函數模型：

f2(x)=0.15x+66 60≤x<15 060

(2)

聯立式(1)與式(2)，利用MATLAB軟件進行求解(下同)，得到兩者標準的交點。并繪制軍用二、三、四級機場與飛行區指標Ⅰ為1、2的精密進近跑道端凈空限制平面對比圖，如圖3所示。

由圖3可知，兩者標準相差較大且比較復雜，共分為3段:在(0，9 560)第1段區間內，民用標準較軍用標準更加嚴格，且軍用標準逐漸趨近于民用標準，在9 560 m處，兩者限制寬度相等，都為1 500 m；在(9 560，15 060)第2段區間內，軍用標準較民用標準更加嚴格，在15 060 m處，民用標準末端寬度達到4 650 m，軍用標準末端寬度仍為3 000 m，兩者沿跑道中線延長線一側相差為825 m；在(15 060，20 100)第3段區間內，此時民用標準已不再更多要求，其末端寬度為4 650 m，端凈空長度與升降帶長度總和為15 060 m，但軍用標準繼續沿跑道中線延長線延伸，直至達到端凈空長度與升降帶長度總和為20 100 m，大于民用標準15 060 m，其末端寬度仍為3 000 m不變。

圖3 凈空限制平面對比(單位：m)

因此，若殲擊機、轟炸機及運輸機等機型使用該類型民用機場，以跑道端中點為原點，在(0，9 560)區間內，按照民用機場自身標準執行，滿足軍用標準，可保障軍用飛機的正常運行；在(9 560，20 100)區間內，按照軍用二三四級機場凈空障礙物限制平面標準執行。

2.3.2 端凈空區障礙物限制面對比

同理，根據2.1節與2.2節分析，將軍用二級及三、四級機場與飛行區指標Ⅰ為3、4的儀表跑道端凈空限制面放在同一個坐標系內，為便于求解計算，以距離跑道端中點100 m處為原點，構建分段函數模型。

軍用二級機場端凈空限制面函數模型：

(3)

軍用三、四級機場端凈空限制面函數模型：

(4)

飛行區指標Ⅰ為3、4的儀表跑道端凈空限制面函數模型：

(5)

聯立式(3)～式(5)進行求解，并繪制軍用二級及三、四級機場與飛行區指標Ⅰ為3、4的儀表跑道端凈空限制面對比圖，如圖4、圖5所示。

圖4 軍用二級機場與飛行區指標Ⅰ為3、4的儀表跑道端凈空限制面對比(單位：m)

圖5 軍用三、四級機場與飛行區指標Ⅰ為3、4的儀表跑道端凈空限制面對比(單位：m)

由圖4可知，在(-40，8 000)區間內，軍用標準較民用標準更加嚴格，且民用標準逐漸趨近于軍用標準；在(8 000，14 960)區間內，民用標準較軍用標準更加嚴格，在14 960 m處，兩者限制高度相差30 m；在(14 960，20 000)區間內，民用標準已不再更多要求，其限制高度為150 m。但軍用標準先從14 960～15 000 m保持180 m限制高度，再以1/25的坡度上升至380 m。

由圖5可知，在(-40，9 000)區間內，軍用標準較民用標準更加嚴格；在(9 000，14 960)區間內，兩者標準限制高度相同，都為150 m；在(14 960，20 000)區間內，民用標準不作要求，軍用標準先從14 960～15 000 m保持150 m限制高度，再以1/25的坡度上升至350 m。

因此，若殲擊機、強擊機等機型使用該類型民用機場，在(-40，8 000)區間內，按照軍用二級機場端凈空障礙物限制面標準執行，在(8 000，14 960)區間內，按照該民用機場自身標準執行，在(14 960，20 000)區間內，按照軍用二級機場端凈空障礙物限制面標準執行；若運輸機、轟炸機等機型使用該類型民用機場，按照軍用三、四級機場凈空障礙物限制面標準執行。

3 軍用機場與民用機場側凈空分析

3.1 軍用機場側凈空分析

軍用機場側凈空區由過渡面、內水平面、錐形面和外水平面組成。以跑道端中點為原點，軍用二級機場側凈空障礙物限制面共分為3段：第1段按照10%坡度上升，在距離跑道端中點700 m處上升至60 m；第2段為水平段，在70～3 500 m區間內保持60 m限制高度不變；第3段以3.33%的坡度上升，在13 100 m處上至380 m。

軍用三、四級機場側凈空障礙物限制面共分為4段：第1段按照10%坡度上升，在600 m處上升至50 m；第2段為水平段，在600～4 000 m處保持50 m限制高度不變；第3段以3.33%的坡度上升，在13 000 m處上至350 m；第4段為水平段，在13 000～15 000 m處保持350 m限制高度不變。

3.2 民用機場側凈空分析

由表3可知，民用機場側凈空由過渡面、內水平與錐形面組成，其跑道類型較多但相同跑道類型規模大小相近，通過與表1簡單對比，飛行區指標Ⅰ為4的非儀表跑道比較有代表性，且大致對應軍用機場側凈空障礙物限制面標準。限于篇幅原因，本文以飛行區指標Ⅰ為4的非儀表跑道為代表與軍用機場標準進行對比分析，確定出最嚴格的標準以供民用機場建設時使用，其他跑道類型側凈空標準可同理得到。

3.3 軍用機場與民用機場側凈空對比分析

根據3.1節與3.2節分析，分別將軍用二級及三、四級機場與飛行區指標Ⅰ為4的非儀表跑道側凈空限制面放在同一個坐標系內，以跑道端中點為原點，構建分段函數模型。

軍用二級機場側凈空限制面函數模型：

(6)

軍用三、四級機場側凈空限制面函數模型：

(7)

飛行區指標Ⅰ為4的非儀表跑道側凈空限制面函數模型：

(8)

聯立式(6)～式(8)進行求解，并分別繪制軍用二級及三、四級機場與飛行區指標Ⅰ為4的非儀表跑道側凈空限制面對比圖，如圖6、圖7所示。

圖6 軍用二級機場與飛行區指標Ⅰ為4的非儀表跑道側凈空限制面對比(單位：m)

圖7 軍用三四級機場與飛行區指標Ⅰ為4的非儀表跑道側凈空限制面對比(單位：m)

由圖6可知，以跑道中線中點為原點，在(0，550)區間內，軍用標準較民用標準更加嚴格，在550 m處兩者限制高度相等，都為45 m；在(550，5 784)區間內，民用標準高于軍用標準，在5 784 m處兩者限制高度相等，都為134 m；在(55 784，13 100)區間內，軍用標準較民用標準更加嚴格，且在6 000 m之后，民用標準不再作限制，軍用標準繼續以1/30的坡度上升至380 m。

由圖7可知，在(0，550)區間內，軍用標準較民用標準更加嚴格，在550 m處兩者限制高度相等；在(550，4 216)區間內，民用標準高于軍用標準，在4 216 m處兩者限制高度相等，都為56 m；在(4 216，15 000)區間內，軍用標準較民用標準更加嚴格，且在6 000 m之后，民用標準不再作限制，軍用標準繼續以1/30的坡度上升至350 m再水平延伸2 000 m。

因此，若殲擊機、強擊機等機型使用該類型民用機場，在(0，550)區間內，按照軍用二級機場側凈空障礙物限制面標準執行；在(550，5 784)區間內，按照該民用機場自身標準執行；在(5 784，13 100)區間內，按照軍用二級機場側凈空障礙物限制面標準執行；若運輸機、轟炸機等機型使用該類型民用機場，在(0，550)區間內，按照軍用三四級機場側凈空障礙物限制面標準執行；在(550，4 075)區間內，按照該民用機場自身標準執行；在(4 075，15 000)區間內，按照軍用三四級機場側凈空障礙物限制面標準執行。

4 凈空區應貫徹的軍用標準

由于民用機場跑道類型較多，本文選取部分民用機場跑道類型為代表與軍用機場標準進行對比分析，確定出最嚴格的標準以供民用機場建設時使用，其他跑道類型凈空標準可同理得到。通過上述分析求解將所得到的民用機場建設中應貫徹的端凈空與側凈空軍用標準匯總于表6，在計算端凈空障礙物限制平面和側凈空障礙物限制面是以跑道端中點為原點，計算端凈空障礙物限制面以軍用機場升降帶和跑道中線延長線交點為原點。在民用機場按照其自身已規劃的機場等級與跑道類型的建設過程中，應根據已經確定的日常訓練或戰時使用該民用機場的主戰軍用機型，增設相應軍用標準以滿足軍用飛機的安全起降，表6中該數據區間表示該軍用機型使用該類型的民用機場所應增設的軍用標準，該軍用標準的區間即為該軍用機型所對應的軍用機場等級的軍用標準區間。

表6 民用機場建設中凈空區應貫徹的軍用標準

5 結束語

分析了軍用機場與民用機場在凈空區組成成分和規模之間的差異，建立分段函數模型，利用MATLAB軟件進行求解分析，在端凈空障礙物限制平面、端凈空障礙物限制面及側凈空障礙物限制面等3個方面，分別選取飛行區指標Ⅰ為1、2的精密進近跑道、飛行區指標Ⅰ為3、4的儀表跑道與飛行區指標Ⅰ為4的非儀表跑道為代表與軍用二級及三、四級機場所對應的凈空范圍進行對比分析，為軍用飛機使用民用機場奠定了基礎。