环形跑道大胆脑洞令人心动

王子

荷兰研究员亨克·赫赛连克提出的现代环形跑道设计构想，得到了欧盟第七框架委员会的资助，荷兰国家航空航天实验室的团队，与德国、法国、西班牙及波兰等国的相关机构合作，利用现代航空理论与技术，对该构想进行了详细的科学分析。

环形跑道怎么飞？

把飞机跑道修成环形，赫赛连克并不是第一个提出这个听上去异想天开设计的人。早在1919年，美国《大众科学》杂志中就有文提议，在摩天大楼密集的城市上空，以楼顶为支点，修建环形跑道，方便商务人士驾驶自己的私人飞机直达办公室。在1960年1月10日的亚瑟-拉德博的周日漫画上，一副题为“环形跑道”的漫画出现在“CLOSER THAN WETHINK”（比我们想象的更近）系列中，不过与自主起降的理念不同，漫画中表现的飞行器在跑道上被“火箭动力单元”牵引，靠离心力“甩”出去。1965年，美国海军也进行了环形跑道的探索，不过他们并没有使用漫画中的“火箭动力单元”。

这个第一条进行了飞机起降实测的环形跑道，道面倾角15°，以抵消飞机滑跑时的离心力。《纽约时报》曾报道，美国海军在环形跑道上进行了试验，发现起降“非常容易”。但由于当时航空业发展已经初具规模，直线跑道成为主流，因此美海军的环形跑道最终只是停留在了试验阶段。

一百年过去了，当年的种种设想最终没有变成现实，但是对环形机场设计的尝试与探索，却没有因为时间的流逝而消亡。时至今天，环形跑道概念又一次被提出，提起人赫赛连克最初的目的是为了解决飞机在侧风环境下起降困难的问题，飞机在环形跑道起降可以不受风向的制约，如果有一条足够长的大圆跑道，通过高效的管理手段，甚至可以提高机场运行效率。理想都是美好的，但現实中，赫赛连克和整个团队是怎么做的，环形跑道概念又会遇到多少困难呢？

飞行员和空管的讨论

进行现代环形跑道设计，至少需要对以下3方面进行详细深入的研究：飞机起降可行性与安全性、基建规划、空中交通管制方案。事实上，赫赛连克团队也是从这3个方面开始评估的。其中，起降性能和规划都是地面工作，其所面临的第一个问题是，环形跑道建多大？

赫赛连克团队给出的数据是：直径3.5千米，跑道全长10千米。这是一个经过计算分析后的数值，3.5千米的半径配合10°的道面倾角，客机起飞时300千米/小时的时速，会将乘客所能感受到的离心力降到一个相对舒适的程度。周长接近3条传统跑道的长度，但具备在任何一点着陆的能力，以及拥有4条跑道的运行容量。

这的确是个不错的设计。在跑道基建方面，修建什么样的跑道已经不是问题，环形跑道真正的问题在于，飞行员怎么飞？空管如何指挥？

我们与几位军民航飞行员进行了讨论，对于环形跑道，飞行员们的第一反应是，降落阶段，会显著增加操纵难度。在传统直线跑道降落，飞行员首先需要做到的是一对正跑道，即便是在侧风条件下，通过航面补偿，可以很大程度抵消侧风对航向的影响。但要对正环形跑道降落，飞机接地范围从一条线变成了一个点——下滑航线与圆周跑道的切点。即使使用弧形下滑线，即战斗机飞行员常用的短五边大坡度降落方式，在直线跑道降落后，飞行员不需要做太多修正滑行姿态的操纵，但在环形跑道上，飞行员还需要在滑行时对飞机姿态进行修正，特别是在不同速度时，离心力不同，操纵量大小不同，各种机型也会有不同的操纵差异。

如果在环形跑道起降时产生不同离心力的作用，可以通过优化跑道宽度、坡度和曲率等设计手段解决，那么，下面这个问题恐怕就有点棘手了。

倾斜的机身会降低机翼有效升力。这是一个客观存在的问题，而且飞机个头越大，在倾斜跑道起飞时损失的升力就越大。升力损失后，问题接踵而至，如果说增加正常情况下跑道的使用长度还不是个大问题，那么对于747、A380这类重型机需要复飞时，因升力损失导致所需跑道长度大幅度延长，如何在离心力上下突变的环境中操纵飞机，如何管理跑道，这些都是百年航空发展中未曾考虑过的问题。

赫赛连克关于环形跑道构想的提出是为了改善侧风环境下飞行员的操纵难度，但几位参与讨论的飞行员们提出了一个与初衷相悖的疑问：现代飞行器的性能，在小于15节（1节=1.852千米/小时）正侧风条件下降落基本没有难度，若遇二三十节的强风天，即便是平行风向降落，也具有一定难度，强风天里存在风切变的风险。若在强风环境中在带坡度的环形跑道降落，可能还不如在直线跑道上，一心应对侧风带来的困难，可能要比一边应对强风，一边带坡度降落安全的多。

飞行员们还提出了一个问题——单发失效的处置。在环形跑道起飞时，垂直尾翼很大程度上是在纠正飞机的偏航，使机头始终沿着跑道中线，如果此时外环一侧的发动机失效，推力失衡，垂尾很难再应对“离心力+不平衡推力”带来的偏航效应，飞机瞬间甩出跑道的可能性很大。同样，环形跑道也会对单发失效飞机的降落带来比较大的操纵风险，其原理与起飞时单发失效类似。解决或缓解这个问题的办法也有，增大垂尾，增加纠正偏航的效率。

对飞行员来说，在环形跑道起降，还有一个与上述情况相比较小的问题——学习、训练的成本增加了。因为在环形跑道降落，事实上并不是在一条直线下滑道上进近，接触跑道后再沿曲线跑道滑行，而是整个下滑航线都是一条曲线，这种带坡度、带曲率的进近飞行，在目前飞行员的培训中并不是常规内容。因此，若使用环形跑道起降，需要对飞行教材这类最基础的内容进行修改，增加训练时间。如此一来，可能会对飞行员的培养造成较大影响。

以上，基本就是环形跑道对飞行员层面的主要影响，总结来说，增加了起降难度，增加了飞行员培养成本。并没有本质上解决或缓解因侧风着陆带来的安全问题。

环形跑道的空中交通管制，“这是一个比飞行员能否平稳起降更困难的问题。”一位民航管制员说。相比将几十架飞机排成一队依次降落，在环形跑道降落航线上排队等待的飞机，可以想象成拉链上的链齿，空管需要将两队或者多队飞机准确排列，才能保证他们在降落时不会相撞。

目前的空中管制席位，大致分为放行、地面、塔台、区调等几个，其中塔台席位负责飞机对特定跑道使用的情况，包括从进近到着陆，最终脱离跑道，和何时进入跑道，起飞后到一定高度。如果使用环形跑道，如何划定管制员对相应长度的跑道的管理权，将是一个新问题。

对此，赫赛连克团队给出了解决方案，即一个塔台席位管理从一个方向区域飞来，并在一定范围内落地的飞机。例如，有3架飞机分别从东北、正北和西北方向飞来，它们可以直接使用22/18/31三个方向的接地段降落，并在降落前由同一位塔台管制员调配指挥。

然而，这就出现了另一个问题，东北和西北方向飞来的飞机，两者夹角90°，虽然减少了空域使用，但三者当中必有两架不能在平行风向环境中降落，有悖设计初衷。

从机场终端空中管制角度看，如果对每一架飞机进行精准位置管理，的确可以增加机场运行效率，减少飞机在空中排队、对正跑道的时间消耗，但有一点是赫赛连克团队没有考虑透彻，没有给出解决方案的——效率安全比。

环形跑道的设计初衷是，避免侧风对飞机起降的影响，提升跑道利用效率。如果不出任何问题，环形跑道可能的确有用。但现实中，机场在运行时不可能不会出现任何意外。以目前国际枢纽机场普遍采用至少3条跑道为情景推测，当一架飞机因故降落后长时间占用跑道，此時还有两条跑道可用。若环形跑道的某一段被占用，则意味着合适的风向下，机场只有一条（一段弧）跑道可以降落，反而会大大降低跑道使用效率。若像是上海浦东、巴黎戴高乐、纽约肯尼迪、洛杉矶、芝加哥奥黑这类拥有4条或更多跑道的机场，因特情占用1条跑道时，对机场运行效率的影响将会更小。

对空管来说，环形跑道的管理还有一个潜在问题——跑道入侵，当然这也是一个从理论角度上可以避免的问题，但现实不是理论，更多的跑道联络道口肯定会增加跑道入侵的风险。加之跑道成弧线，滑行道在跑道内侧，滑行道上的飞机可能会对远处跑道上其他尚未脱离的飞机造成遮挡，这也会大大增加飞行事故隐患。

复飞这类经常出现的情况，对管制员来说，在环形跑道上指挥也有风险。复飞属于突发操作，可能出现在降落的任何阶段，在环形跑道运行时，假设接地点可以标定，但复飞时的飞机航向却在一个很大的范围，几乎属于不可预测。在传统跑道降落时，空管单位有一套标准复飞程序，航向多少，上高度多少，在哪里转弯盘旋重新加入三边。但在环形跑道上，复飞程序肯定比现在的更加复杂，经济性更差，安全性更低。

还有一个需要重新规划设计的是——机场之外的导航台，跑道延长线上有一个位置叫做“起始进近点”，进近时的飞机需要从该点上空飞过，开始按程序着陆，如果使用环形跑道，是否需要在机场之外每一个方向架设一个导航点？或者通过新技术减少或取消起始进近点？这对空管设备技术革新可能并不算一个太大的困难，但是，改变飞行员的进近方式，每次在环形跑道降落，都使用不同方向的着陆点，对飞行员来说可能是个不小的挑战。

作为空中管制员，环形跑道的概念可能真的会对空中管制工作带来不小的挑战，特别是对用于大型枢纽机场的环形跑道，管制员需要应对从各个方向飞来、向各个方向起飞的飞机，还有在各个方向上可能出现的复飞或其他特情，赫赛连克团队没有在报告中对这些情况给出完美的解决方案。

是落后还是超前？

那么环形跑道真的没什么优点吗？当然不是。赫赛连克设计环形跑道的初衷是为了降低大侧风对飞行安全的影响，静风环境下简化进近方式，减少飞机在机场上空盘旋等待的时间，让飞行终端变得更加绿色一点。

尤其值得一提的是，环形跑道机场的设计可以大幅度提高对土地的利用效率。赫赛连克团队给出了方案，在环形跑道内修建候机楼，与现在很多机场相比，飞机滑行时间可减少40%或更多。在垫高一侧的跑道下方修建停车场或机场酒店等配套设施，都是对空间的极大利用。

在整个项目的研究过程中，赫赛连克团队的环形跑道项目得到了荷兰航空航天中心的资金等多方面支持，截止2017年3月20日——项目官网最后的更新日期，赫赛连克团队给出了包括项目背景、概念说明、机场技术设施、飞机设计、空中管制等多方面的报告文件，并对设计方案进行了数字建模和分析，之后还对环形跑道项目未来的发展进行了展望，探讨了发展的可行性。

赫赛连克团队给出了犹如博士论文般的详细论证方案，着实令人敬佩。但遗憾的是，他的很多设想是建立在飞行员能力、飞行器性能和空管效率更优的前提之上，以目前人类所使用的航空技术，环形跑道的设想可能还无法实现。

上述诸多对赫赛连克团队环形跑道概念中缺陷的质疑，可能来自我们的鼠目之光，因为我们没有大胆的向前看，没有尝试努力去解决提出来的问题。对此，赫赛连克对媒体表示，他并不想被人们认为仅仅是一个思考者，他说：“即使不能以我构想的方式使环形跑道成为现实，但我真的希望，在对环形跑道项目的研究中，某些想法或思路可以改变我们对飞机起降的看法，或者提出优化机场或产能的方式。”

赫赛连克知道自己有点儿在孤军奋战，因为有太多提出质疑的声音，但他也看到了另一条路。如果不能改造现有的机场，为什么不用这种方式在中小城市从固定翼无人机开始尝试呢，无人机快递是一个有前景的行业。他甚至不需要一个完整的圆，用1/4圆弧，就可以开始尝试了。

有时候我们说一个人，提出人们无法理解的想法时，是异想天开，脱离实际，但还有一种说法——他们来自未来。赫赛连克的环形跑道构想，到底是脱离实际，还是来自未来？这个构想将怎样影响航空产业的发展，实在令人期待。

责任编辑：陈肖