跑道長度需求推估

一、  跑道長度影響因素

機場跑道長度分析包括起飛及降落需求長度，跑道長度主要影響因素包括：

l  飛機性能與重量：包含裝配引擎效能及起降時重量

l  天氣：地面風向/風速與溫度

l  跑道特性：縱坡度與道面乾/濕狀況

l  機場位置：機場高程(氣壓)與地形限制

1.1 飛機性能與重量

各飛機製造商將其生產之飛機性能參數公告於"飛機特性-機場規劃 (Airplane Characteristics for Airport Planning (Boeing)/ Aircraft Characteristics, Airport and Maintenance Planning(Air Bus))”文件中，提供各型飛機之幾何及重量數據、地面轉彎半徑、地勤車輛作業位置及艙門高度與位置等資料；也將航機在各營運重量、高程及特定溫度下所需之起降距離，透過一系列的性能對照圖表顯示。

航空公司基於營運效率，一般僅攜帶至目的地所需燃油量，再加上必要之備用燃油。除了飛行距離接近最大航程外，航機實際起降重量多半少於其重量上限。雖然如此，在考量機場的適航能力之下，一般會盡可能考慮所有航機以最大起飛重量(MTOW)起飛及最大著陸重量(MLW)降落，除非該機場定位在無越洋航線之區域型機場。

此外，起降時飛行員採用之翼襟角度(Flap)也會影響所需跑道長度，翼襟角度越小，需求跑道長度越長。波音在部分機種中有不同翼襟角度之降落跑道長度需求圖表，但起飛跑道長度則以機場海拔高度標示採用之翼襟角度。由於ICAO及FAA未將翼襟角度列入起飛跑道長度需求分析之中，且波音公司列有翼襟角度之飛機也只是配合機場高程而變化，可以機場高程插算即可。

在降落跑道長度中，波音公司將不同翼襟角度之需求跑道長度分別列示，空中巴士公司則未區分；對於波音飛機在無地形限制之情況下，建議以需求最長之翼襟角度作為插算之依據。

1.2 天氣因素

航機係藉由氣流通過翼面提供升力，故風速影響起飛長度。相對於無風或順風，逆風有助於以較低的地速達到起飛空速，因此起飛多採逆風方向。考慮降落跑道長度時，逆風亦有助於飛機減速煞停(如翼襟之轉折)。起降作業大多藉由改變起降跑道來避免順風，逆風大小也無法準確預知，故分析跑道長度時假設在無風狀態之下。

溫度對於航機起飛性能有著重大影響，高溫導致空氣密度降低，所需起飛空速提高。由於極度高溫下所需起飛速度可能超過輪胎與剎車速度上限，因此部分航機可能無法達到最大起飛重量。

飛機製造商的「航機特性-機場規劃」文件中，皆分別列示不同級距溫度 (ISA、ISA+15°C、ISA+17.2°C…等)之基礎跑道長度，選用時應以最接近機場溫度基準者為據。依據ICAO及FAA，機場溫度每增加1°C，起飛跑道需求長度需增加1%；降落跑道則不計。

1.3 跑道特性因素

ICAO及FAA皆定義跑道坡度為「跑道中心線上最高與最低之高程差除以跑道全長」。航機起飛時，下坡加速較快，上坡則反之，但因跑道大多雙向使用，故不考慮下坡之縮減；降落時亦同。

通常跑道為配合地形而必須有一定坡度，根據ICAO及FAA之建議，每1%之縱坡度，起飛跑道之需求長度增加10%；降落跑道則不計。

跑道面狀態影響摩擦力，濕滑跑道可能影響最大允許起飛重量，此與航機放棄起飛時的煞停能力有關。由於航機製造商僅在部分機種中標示乾跑道(如A350-900、B737、B747-8/8F、B777-200LR/300ER/F、B787-8/9等)，且ICAO及FAA皆未提供低摩擦力下之性能數據與調整方法，因此儘管跑道濕滑影響起飛航機之運作，一般皆不納入起飛長度分析。

但在降落跑道長度中，空中巴士公司除了新機種(A350-900及A380-800)標示乾跑道之外，其他未標示；波音公司則都列示乾濕兩種圖表供選擇。EU-OPS1.520及美國FAR121.195，將乾跑道長度加上15%，作為溼跑道之長度需求；分析波音公司各機種之乾溼跑道長度需求，溼跑道皆接近乾跑道之1.15倍。建議未將乾溼狀態標示於降落跑道長度需求之機種皆視為乾跑道狀況，全加15%，做為降落跑道需求之長度。

1.4 機場位置因素

機場位置影響跑道長度因素包括 “用地大小與周邊環境及機場高程”，分析跑道長度需求時皆先去除用地大小與周邊環境限制，當用地或地形環境無法提供足夠之跑道長度時，再分析航機起降之限制(如限重)。

機場高程與溫度相似，空氣密度隨著高程上升而下降，導致航機需要更高的起飛空速與更長的跑道長度。ICAO/FAA建議自平均海水面起，高程每增加300m/1000ft，起飛及降落之基礎跑道長度需增加7%。

此外，跑道高程影響大氣壓力，因此起飛跑道圖表中所依據之溫度，必須配合跑道所處高程修正後再據以修正跑道長度，修正參數如下圖 (各類文件對於標準日溫度之遞減數值不盡相同，但機場標高每抬升2,000ft，標準日溫度大約遞減4°C)。

資料來源: 波音787 “Airplane Characteristics for Airport Planning”, 2014

二、基本假設與定義

基於前述因素，機場規劃設計時之基礎跑道長度係基於下述之假設：

l  無障礙物：沒有突出進離場管制面之人為或自然障礙物。

l  靜風：風速為零；當風向產生變化時，合理假設航管會更改起降方向。

l  跑道面乾燥：當道面潮濕時，降落跑道長度需求須另加15%，起飛跑道不考慮。

l  跑道有效縱坡度為零：跑道最高點與最低點之高程差除以跑道全長之縱坡度稱為跑道有效縱坡度。

每一離場起飛之實際需求跑道長度，飛行員於起飛前會依據各該型飛機之飛行手冊求算；其中考慮因素包括 “障礙物、當時大氣溫度、跑道縱坡度、風向/風速、道面乾溼程度及起飛時總重量、起飛抬升時之滾行速度、抬升梯度等”因素，當依據當時相關數據推算發現跑道長度不足時，會以減少酬載重來因應。

三、跑道長度之推算步驟

需求跑道長度之推算步驟如下：

1.                 設計機型列表：將預期要使用該跑道的飛機列表。

2.                 決定各機型之起飛重量(MTOW)：一般採用該機型之最大起飛重量(MTOW)，尤其是越洋航線；但如受某些因素限制(如地形)，則以最大酬載重及航程所需攜油量，決定起飛重量。

3.                 由飛機製造商出版之“飛機特性-機場規劃”文件中之相關圖表找出基礎跑道長度：圖表中包含之相關參數可能包括 “使用引擎型號、翼襟角度、機場標高/溫度、道面乾濕”等。飛機裝配的引擎廠牌型號影響飛機性能，在無法預期使用該跑道飛機所裝配之引擎型號時，建議採用需求跑道長度最長者；起降作業時採用的翼襟角度也影響需求跑道長度，起飛跑道長度無須特別考慮，降落跑道建議採用需求長度最長者；機場標高/溫度越高也使得需求之跑道長度越長，盡量選用最接近的參數，再據以進行修正。當沒有相關圖表可資依循時，可諮詢飛機製造商或航空公司。

4.                 依據該跑道之標高、溫度(機場最熱月最高溫度平均值)及預期跑道有效縱坡度，修正列表中各機型之需求跑道長度。需要修正之參數於起飛跑道包括“機場標高、溫度、跑道有效縱坡度”，於降落跑道為“機場標高”

5.                 選擇需求跑道長度最長之關鍵機型，做為建議之跑道長度。

由於有些機場往往會受到地形環境之限制，而無法修建一足夠之跑道長度來滿足所有飛機以最大設計起飛重量起飛，此時建議以最大酬載重及計畫飛航行程所需攜油量來推估需求跑道長度。

四、案例

某一機場之標高為202.7m(665ft)、最熱月之最高溫度平均值為33°C、跑道有效縱坡度為(202.69m-199.64m)/3,659m=0.083%，計畫飛航機型有A321-200、A350-900及B737-8、B787-8。

4.1 基礎跑道長度

1.         A321-200機型

在空中巴士公司 “Aircraft Characteristics, Airport and Maintenance Planning”中之2-1-1 2.節中 可以找到A321-200 WV011的起飛重量最大93,500kg(206,132ib)，其對應之最大降落重量為77,800kg(171,520lb)；在較接近此機場氣溫狀況(ISA+15°C)的3-2-2節中之起飛道長度以CFM 56及IAE V2500兩種引擎呈現其起飛跑道長度需求，但以IAE V2500之需求起飛跑道長度較長。在機場標高為 “0”、氣溫ISA+15°C的情況之下，未經修正之需求起飛跑道長度為2,811m(如下圖)。

       資料來源：空中巴士公司 A321 “Airplane Characteristics, Airport & Maintenance Planning”, 2016

  

在降落跑道長度中，同樣列有CFM 56及IAE V2500兩種引擎來呈現其降落跑道長度需求，以IAE V2500之需求長度較長，在機場標高為 “0”的狀況下，需求降落跑道長度為1,701m(如下圖)

                  資料來源：空中巴士公司 A321 “Airplane Characteristics, Airport & Maintenance Planning”, 2016

2.         A350-900機型

在空中巴士公司 “Aircraft Characteristics, Airport and Maintenance Planning”之2-1-0 1.節中 可找到A350-900 WV006的起飛重量最大275,000kg(599,658lb) ，其對應之最大降落重量為207,000kg(456,357lb)；在較接近此機場氣溫狀況(ISA+15°C)的3-3-0節中，其起飛道長度並未列有引擎的差別。在機場標高為 “0”、氣溫ISA+15°C的情況之下，未經修正之需求起飛跑道長度為2,761m(如下圖)。

資料來源：空中巴士公司 A350 “Airplane Characteristics, Airport & Maintenance Planning”, 2016

在降落跑道長度中，僅有一個圖表可以用，在機場標高為 “0”的狀況下，需求降落跑道長度為1,981m(如下圖) 。

資料來源：空中巴士公司 A350 “Airplane Characteristics, Airport & Maintenance Planning”, 2016   

3.         B737-800機型

在波音公司 “Airplane Characteristics for Airport Planning”之2.1.11節中 可找到B737-800的最大起飛重量79,016kg(174,200lb) ，其對應之最大降落重量為66,361kg(146,300lb)；在較接近此機場氣溫狀況(ISA+15°C)的3-3-48節中，起飛跑道長度圖表僅顯示 “CFM56-7B24/-7B26/-7B27 Engine at 26,000 lb SLST”。在機場標高為 “0”， 氣溫ISA+15°C的情況之下，未經修正之起飛跑道長度為2,491m(如下圖)。

資料來源：波音公司 B737 “Airplane Characteristics for Airport Planning”, 2013 

在降落跑道長度的3.4.21節中僅有一個圖表。在機場標高為 “0”、道面潮濕、翼襟角度30°的狀況下，未經修正之降落跑道長度為2,037m(如下圖)。

資料來源：波音公司 B737 “Airplane Characteristics for Airport Planning”, 2013

  

4.         B787-8機型

在波音公司 “Airplane Characteristics for Airport Planning”之2-1.1節中 可以找到B787-8的起飛重量最大227,930kg(502,500lb) ，最大降落重量172,365kg(380,000lb)。在較接近此機場氣溫狀況(ISA+15°C)的3.3.6節中起飛道長度採用高推力引擎(HI-THRUST ENGINES)，3.3.10節中起飛道長度採用一般引擎(TYPICAL ENGINES)，採用一般引擎之需求跑道長度較長。在機場標高為 “0”、氣溫ISA+15°C的情況之下，未經修正之起飛跑道長度為3,274m(如下圖)。

資料來源：波音公司 B787 “Airplane Characteristics for Airport Planning”, 2014

在降落跑道長度之3.4. 1及3.4.2節中，分別列有翼襟角度(Flaps)30°及25°二種圖表，翼襟角度25°之需求降落長度較大。在機場標高為 “0” 、道面潮濕、翼襟角度25°的狀況下，未經修正之降落跑道長度為1,956m(如下圖) 。

資料來源：波音公司 B787 “Airplane Characteristics for Airport Planning”, 2014

4.2 需求跑道長度修正

經由插圖求出起飛及降落之基礎跑道長度後，起飛跑道需經機場標高、溫度及跑道有效縱坡度修正，而降落跑道則僅需進行機場標高修正。

其中，機場溫度之修正必須計入機場高程對標準日/ISA(Standard Day/International Standard Atmosphere)之影響。以機場高程202.69m而言，標準日(或ISA)之溫度應修正為15°C -(202.69/610)*(15°-11°)=13.67°C。當機場最熱月之最高溫度平均值為33°C時，如所查航機起飛跑道長度圖表以標準日(或ISA)+15°C顯示，需修正之溫度差為33°-(13.67°+15°)=4.33°。

起飛跑道需求長度之修正計算如下：

起飛跑道長度調整項目 計算式 代碼 基本跑道長度 圖表插算 A 超過圖表高程之調整 A*高程差/300*7%+A B 超過圖表溫表之調整(註) B*溫度差*1%+B C 跑道有效縱坡度之調整 C*坡度百分比*10%+C D 註: 必須先進行機場標高之標準日溫度修正 降落跑道需求長度之修正計算如下： 降落跑道長度調整項目 計算式 代碼 基本跑道長度 圖表插算 A 超過圖表高程之調整 A*高程差/300*7%+A B 乾跑道之調整 B*15%+B C 經由各項修正所得結果如下表:   機型 最大起飛重量(kg) 最大降落重量(kg) 引擎型號(選需求跑道長度最大者) 起飛跑道長度(m) 降落跑道長度(m) 標高"0"   Std D(ISA)+15°C 高程修正   202.7 /300* 7% =4.73% 溫度修正 33°-(13.67°+15°) =4.33*1%= 4.33% 縱坡度修正 0.083*10%=0.83% 標高"0"  之降落跑道長度  (濕跑道) 標高"0"  之降落跑道長度  (乾跑道) 高程修正202.7/300* 7%=4.73% 乾→溼修正 15% A321-200      93,500       77,800 V2500             2,811             2,944               3,071         3,097 　            1,701             1,780          2,047 A350-900    275,000    207,000 ~             2,761             2,892               3,017         3,042 ~            1,981             2,073          2,384 B737-800      79,016       66,361 CFM56-7B24/-7B26/-7B27             2,491             2,609               2,722         2,744            2,037  ~             2,132          2,132 B787-8    227,930    172,365 Typical             3,274             3,429               3,577         3,607            1,956  ~             2,047          2,047

 

4.3 建議跑道長度

依據相關修正結果建議跑道長度應≧3,610m。

參考文獻：

1.     ICAO Doc. 9157 “Aerodrome Design Manual Part 1 Runways”, 2006.

2.     FAA AC 150/5325 4B “Runway Length Requirements for Airport Design”, 2005.

3.     Airbus A321 “Airplane Characteristics, Airport & Maintenance Planning”, 2016.

4.     Airbus A350 “Airplane Characteristics, Airport & Maintenance Planning”, 2016.

5.     Boeing A737 “Airplane Characteristics for Airport Planning”, 2013.

6.     Boeing 787 “B787 “Airplane Characteristics for Airport Planning”, 2014.

機場參考點、機場高程及禁限建內水平面高程

李明

一、  機場參考點

ICAO Annex 14 Volume I “Aerodrome Design and Operations”定義篇中對機場參考點(Aerodrome reference point, ARP)的定義是「機場的指定地理位置。」

FAA AC 150/5300-13A “Airport Design” 定義篇中對機場參考點的定義是「機場所有可用跑道的近似幾何中心。」

ICAO對ARP的訂定似乎沒有強制性的規範，而FAA則對ARP的訂定規範在可用跑道的近似幾何中心。

以桃園國際機場而言，目前AIP公布之ARP在250449N 1211356E(北緯25°04’49”, 東經121°13’56”)，以成大水工試驗所大地座標轉換程式換算為TWD97二度分帶坐標在N2774689.446, E273425.298 ，依據換算結果，ARP幾何中心位於下圖紅點標示處，略偏向雙跑道幾何中心西北。

二、機場高程

ICAO Annex 14 Volume I “Aerodrome Design and Operations”定義篇中對機場高程(Aerodrome elevation)的定義是「著陸區最高點的高程。」

FAA AC 150/5300-13A “Airport Design” 定義篇中對機場高程的定義是「機場可用跑道上的最高點高程，並以平均海平面（MSL）以上的英尺表示。」

以桃園國際機場而言，目前AIP公布之機場高程為108ft(32.92m)，而雙跑道最高點高程為南跑道(05R/23RL) 05端之108ft。

三、機場禁限建之內水平面高程

ICAO service manual part 6 “Control of obstacles” 1.2.3.4 「Inner horizontal surface—elevation datum」述及:

需要機場當局選擇一個基準高程，從中確定內水平面的頂部高程。 選擇數據應考慮到：

A. 最常用的高度表設置基準點之高程，

B. 使用或需要的最低繞場高度，

C. 機場營運的性質

對於相對水平的跑道，基準高程的選擇並不重要，但當跑道頭相差超過6m時，選擇的基準應特別考慮上述因素。 對於復雜的內部水平表面，一個共用的高程並非必須，但是當表面重疊時，高程最低的下表面應佔優勢。

目前桃園機場公布之禁限建(2014.12.30修訂版)的內水平面標準為「以跑道兩端中心點為圓心，距桃園機場跑道端中心點海拔高度向上四十五公尺之上空，以四千公尺半徑作圓弧，連接各圓弧與跑道平行之切線範圍內所構成之水平面。在此修正版之前所公布之標準為「距離桃園機場標高(海拔 32.6公尺，或 107 英呎)向上 45 公尺之上空…」。

桃園機場南北跑道兩端之中心點高程分別為:

南跑道(05R/23L): 108ft/91ft (32.92m/27.74m)

北跑道(05L/23R): 74ft/63ft (22.56m/19.20m)

05R與23R相差達10.36m

四、結論與建議

目前桃園機場參考點(ARP)雖未位於雙跑道幾何中心但接近，ICAO對於ARP並未強制規範，但仍建議未來第三跑道興建完成營運後之ARP重新依據三跑道幾何中心調整之。

目前桃園機場高程係以雙跑道之最高點高程108ft(32.92m)公布之，未來第三跑道之兩端點高程受限於地形，皆將比現有雙跑道頭之高程低，於第三跑道加入營運後之機場高程仍應維持現況。

2014.12.30之前桃園機場的內水平面高程係以當時之雙跑道最高點高程107ft為標準，之後改成依據各跑道之端點高程，如此改變導致內水平面有四個高程，未來第三跑道加入營運後將增加為六個內水平面高程。複雜之內水平面高程增加管制上的計算作業，且衍生出既有物成為突出新增內水平面的障礙物，進離場面及轉接面應依據各跑道高程，但內水平面似可化繁為簡，由有關單位依據ICAO service manual part 6 “Control of obstacles” 1.2.3.4 「Inner horizontal surface—elevation datum」所述三原則，訂定一個共用基準高程，做為訂定內水平面高程之依據。