Od jakiegoś czasu toczy się dyskusja na temat Centralnego Portu Komunikacyjnego. Czy jest nam on potrzebny? Czy Okęcie osiągnęło już swój kres rozwoju? A może duo-port? Dyskusja jest ciekawa, ale ja nie chcę tutaj podejmować tego tematu i powtarzać rzeczy, które można wyczytać gdzieś indziej. Staram się zawsze prezentować czytelnikom nieco inne spojrzenie na tematy związane z lotnictwem, więc i tym razem spróbujemy trochę od kuchni zastanowić się nad nieco inną, aczkolwiek powiązaną rzeczą. tj. co w ogólności wpływa na przepustowość portu lotniczego, a więc w jaki sposób przebudowując bądź budując lotnisko od nowa, można tę przepustowość zwiększyć i gdzie szukać jej granicy. Przy czym przez przepustowość rozumiemy tutaj, ile można obsłużyć operacji w jednostce czasu np. na godzinę, co w efekcie przekłada się jakoś na parametr bardzo często wybierany do porównywania lotnisk, tj. liczbę pasażerów obsłużonych rocznie.
Jest przynajmniej kilka zasadniczych czynników wpływających na przepustowość lotniska. W każdej z nich wyróżnimy też podkategorie. W skrócie scharakteryzowałbym to w następujący sposób:
1) Pojemność przestrzeni powietrznej wokół lotniska
2) Przepustowość dróg startowych
3) Układ dróg kołowania, płyt postojowych i terminali
Pojemność przestrzeni wokół lotniska
W tej kategorii rozważałbym kilka zagadnień. Po pierwsze są to ograniczenia związane z mocą przerobową kontrolerów ruchu lotniczego. Im więcej jest miejsca, tym więcej samolotów można upchnąć i poukładać w tej przestrzeni. Z drugiej strony, jeśli mamy do czynienia z węzłem np. kilku lotnisk, samoloty operujące z jednego będą przeszkadzać samolotom operującym z innego, przez co ogólna pojemność przestrzeni danego lotniska zmniejszy się, niż gdyby lotnisko to było wyizolowane gdzieś na odludziu.
Przykładem niech będzie Londyn. To cztery duże lotniska rozmieszczone w niewielkiej odległości. Ruch lotniczy na tym węźle dobrze widać na animacji przygotowanej przez NATS:
Oczywiste jest, że przestrzeń ta jest niesamowicie wypełniona samolotami i w godzinach szczytu nie sposób uniknąć opóźnień. Mimo więc, że nasze lotnisko docelowe być może jest gotowe na przyjęcie samolotu, to i tak będzie on musiał poczekać na swoją kolej, aby w ogóle wlecieć w tę przestrzeń, bądź będzie musiał polecieć na około. Zagadnienie pojemności przestrzeni jest bardzo złożone i nie sposób nawet podać recepty, ile samolotów można na godzinę zmieścić w danym jej elemencie. Zależy to od bardzo wielu czynników. Dla zainteresowanych jak lotnictwo radzi sobie z potencjalnym przepełnieniem przestrzeni lotniczej, polecam inną moją notkę w tym temacie:
zarządzanie przepływem ruchu lotniczego
Kolejna kwestia to sposób sprawowania kontroli ruchu lotniczego w samym otoczeniu lotniska. Zupełnie upraszczając zagadnienie sprowadza się do tego, czy mamy radarową (bądź wykorzystując podobny system) służbę zbliżania, czy nie. Samoloty wokół lotniska muszą zostać ustawione w kolejkę do lądowania, a także odseparowane od samolotów startujących z lotniska. Jest to oczywiście znacznie prostsze, jeśli mamy do dyspozycji radar, który wyświetla na zobrazowaniu pozycje samolotów. Kontroler może je wtedy dowolnie przesuwać jak pionki na szachownicy. Jeśli natomiast nie mamy radaru, sprawowana jest kontrola proceduralna zbliżania, najczęściej z wieży. Ten sposób kontroli wykonywanej właściwie ślepo zakłada, że samoloty poruszają się po określonych procedurach i zgłaszają swoje pozycje. W ten sposób można je odseparować, opierając się na szeregu opisanych zasad. Nie trzeba dodawać, że pojemność takiej przestrzeni jest przynajmniej kilkukrotnie mniejsza, niż przestrzeni radarowej. Dlatego każde duże lotnisko ma radar zbliżania bądź inny, podobnie działający system.
Warto wspomnieć, że lotnisko we Wrocławiu dopiero 5 lat temu doczekało się radaru zbliżania. Wcześniej sprawowano tam kontrolę proceduralną i było to prawdopodobnie jedno z czołowych pod względem ruchu lotnisk w Europie, gdzie radzono sobie bez radaru, obsługując wtedy ponad 2 miliony pasażerów rocznie.
Ale nawet jeśli mamy radar zbliżania, nie zawsze można wykorzystać go w pełni. Przeszkody terenowe mogą ograniczyć swobodę poruszania się wokół lotniska. Ekstremalnym przykładem może być np. szwajcarskie lotnisko Sion, położone w kanionie pomiędzy górami. Podejścia do lądowania oraz odloty po starcie odbywają się wzdłuż tego kanionu, nie ma możliwości polecieć inaczej. Dopiero po nabraniu bezpiecznej wysokości samoloty mogą zostać skierowane na interesujące je kierunki. Innym przykładem może być nepalskie lotnisko w Katmandu.
Lotnisko w Katmandu z górami w tle
Przepustowość dróg startowych
Chyba najważniejszym elementem każdego lotniska jest droga startowa, czyli miejsce, na którym lądują i z którego startują samoloty. Oczywiście lotnisko może mieć kilka dróg startowych. Najpierw zastanowimy się, jaka jest pojemność pojedynczej drogi startowej, a potem rozważymy co się dzieje, gdy zwiększamy ich liczbę.
Może to się wydawać paradoksalne, ale na przepustowość pojedynczej drogi startowej wpływa przede wszystkim układ dróg kołowania, które pozwalają z niej zjechać i na nią wjechać. Przykładowo lotnisko w Łodzi ma jedną drogę dojazdową, zlokalizowaną przy progu 25. O ile więc nie ma problemów z kolejnymi startami z tego kierunku, o tyle lądujący samolot musi zawrócić, przekołować prawie cała długość pasa z powrotem, zanim opuści drogę startową. Ponieważ wjazdy i zjazdy odbywają się w tym samym miejscu, także samoloty czekające do startu trzeba ominąć w innym miejscu. Nie trzeba wielkiej wyobraźni, aby stwierdzić, że pojemność ruchowa przy takim układzie jest niewielka.
Lotnisko w Łodzi
Jeśli popatrzymy na układ lotniska w Luton - to jest lepiej. Trzy drogi kołowania pozwalają na odseparowanie samolotów wjeżdżających i zjeżdżających. Problem polega na tym, że nie prowadzą one na próg pasa. Albo więc samolot zdecyduje się na start z tzw. krzyżówki (czyli z krótszego dystansu) albo musi zakołować po pasie na jego początek i tam się obrócić. Wydłuża to czas i znacząco zmniejsza pojemność lotniska. Pewną wariacją na temat może być lotnisko na Malcie, gdzie samolot po zakołowaniu po pasie, może schować się w zatoczce, aby umożliwić kolejne lądowanie.
Lotnisko w Luton
Bez wątpienia więc maksymalną przepustowość otrzymamy, gdy wzdłuż pasa wybudujemy drogę kołowania, która pozwoli zaprowadzić samoloty na każdy z końców drogi startowej, a także zjechać z niej w pośrednich punktach. Jeśli rozpatrujemy np. same lądowania, to taki układ pozwala ustawić podchodzące samoloty w ok. 5 milowych odstępach i wystarcza czasu, aby poprzednik zjechał, gdy kolejny chce wylądować. Aby jeszcze nieco wycisnąć z przepustowości, buduje się tzw. drogi szybkiego zjazdu, czyli drogi kołowania łagodnie wyprowadzające z pasa. Samolot nie musi się niemalże zatrzymać, aby wykonać zwrot o 90 stopni, lecz można zjechać przy prędkości około 50 węzłów. Tak przygotowana droga startowa pozwala zmniejszyć dystanse pomiędzy podchodzącymi do 4, a nawet czasem do 3 mil. A to oznacza, że lądowania mogą się teoretycznie odbywać co około minutę.
Lotnisko w Poznaniu z optymalnym układem - równoległa droga kołowania do progów i drogi szybkiego zjazdu
Jeśli chodzi o starty, to wiele zależy tutaj od struktury przestrzeni powyżej i każde lotnisko stosuje własne zasady. Aby wyrobić standardową separację radarową, podobnej klasy samoloty również można by wypuszczać mniej więcej co minutę, ale ponieważ nigdy nie można przewidzieć, jak szybko będzie nabierał prędkości i wysokości samolot po starcie, przyjmuje się, że bezpiecznie jest wypuszczać starty co półtorej-dwie minuty, choć czas ten można skrócić, gdy np. wiadomo, że samoloty po starcie idą w różnych kierunkach.
Do tego idealistycznego obrazu trzeba jednak dodać element realizmu. Samoloty są różne. Czasem wypuszcza się wolnego za szybkim i można to zrobić niemal od razu, jak poprzednik oderwie się od pasa. Czasem jednak puszcza się szybkiego za wolnym i tutaj można czekać nawet kilka minut na wyrobienie odpowiedniej separacji. Do tego dochodzą też tzw. separacje na turbulencje w śladzie aerodynamicznym i wiele innych czynników. Można więc przyjąć, że jeśli droga startowa jest wykorzystywana wyłącznie do startów bądź lądowań, to teoretycznie jej przepustowość może wynosić nawet 60 operacji na godzinę, ale w praktyce będzie to nieco mniej.
A co jeśli wykonywane są operacje zarówno startów, jak i lądowań? Sprawa znacząco się komplikuje. Standardowa procedura wygląda w następujący sposób. Samolot do startu oczekuje przed pasem. Gdy tylko lądujący go minie, ten zajmuje pas i czeka, aż pas będzie wolny. Następnie startujący rozpoczyna rozbieg i odrywa się od ziemi. W tym czasie do lądowania zbliża się kolejny samolot. Wydawać by się mogło, że podchodzący może otrzymać zezwolenie na lądowanie, gdy tylko startujący oderwie się od ziemi, czyli wystarczy separacja o długość pasa. Ponieważ rozbieg samolotu trwa ok. 40 sekund, tylko tyle ekstra potrzeba by było, aby zmieścić start pomiędzy lądowaniami. Nawet przyjmując bezpiecznie, że to minuta, wydaje się, że starty nie wpływają specjalnie na przepustowość. Nadal możemy robić jedną operację na minutę.
Niestety problem polega na tym, że nigdy nie ma gwarancji, iż lądujący samolot nie odejdzie na drugi krąg. Jeśli to nastąpi, to separacja o długość pasa to trochę za mało. Aby zobrazować, na czym polega problem, obejrzyjmy tę symulację, wykonaną programem Tower3D.
Aby uzmysłowić, że nie są to tylko rozważania na papierze, lecz realne niebezpieczeństwo, załączam link do raportu ze zdarzenia na lotnisku w Oslo, gdzie właśnie doszło do
zaniżenia separacji pomiędzy startującym a odchodzącym na drugi krąg samolotem.
Aby uniknąć tego typu problemów, narzuca się ścisłe ograniczenia, w jakiej odległości może być podchodzący samolot, aby mógł jeszcze odbyć się start. Potrzeba też tutaj umiejętności i doświadczenia kontrolera ruchu lotniczego, gdyż czynników do rozważenia jest wiele - jakie są typy samolotów, jakie mają prędkości, jaki jest wiatr, jak szybko może odbyć się start itp. Biorąc pod uwagę te wszystkie ograniczenia, przyjmuje się, że na godzinę na lotnisku z jedną drogą startową mogą przypaść maksymalnie 44 operacje. Jest to górny limit. Czy to dużo czy mało? Lotniskiem o największej liczbie obsłużonych pasażerów na jednej drodze startowej (jest co prawda druga, ale wykorzystywana tylko do kołowań) na świecie, jest londyński Gatwick z imponującą liczbą 45 milionów (dla porównania Okęcie - 15 milionów pasażerów rocznie).
Założenia czasowe dla operacji na jednym pasie na lotnisku w Hong Kongu
Co zrobić, jeśli potrzebujemy jeszcze większej przepustowości? Rozwiązaniem będzie zbudowanie drugiej drogi startowej. Można to zrobić na kilka sposobów:
1) Równoległa droga startowa w odległości mniejszej niż 760 metrów. W takim przypadku nie można ich traktować jako zupełnie niezależnych. Nadal trzeba wypracować odpowiednie separacje pomiędzy podchodzącymi i startującymi, dlatego najczęściej w takim przypadku rozdziela się operacje. Na jeden pas wykonywane są podejścia, a na drugim czeka już samolot do startu. Gdy lądujący przyziemi, rozpoczyna się rozbieg.
2) Przecinające się drogi startowe. Jest to pewna wariacja punktu pierwszego i działa na podobnej zasadzie. Lądowania na jednym pasie i po minięciu krzyżówki przez samolot, start z drugiego pasa. Tak funkcjonuje np. warszawskie Okęcie. Rozwiązanie to ma właściwie tylko jedną zaletę - w przypadku silnego wiatru można używać jednego kierunku bardziej pod wiatr. Poza tym ma same wady i generalnie od niego się odchodzi.
3) Kolejna możliwość to dwie równoległe drogi startowe w odległości większej niż 760 metrów od siebie. W takim przypadku można je traktować niemalże jak dwa osobne lotniska. Jest to rozwiązanie optymalne, a przykładami są lotniska w Monachium, Oslo czy jedno z najbardziej zatłoczonych lotnisk w Europie, londyńskie Heathrow (prawie 80 milionów pasażerów rocznie).
Heathrow - lotnisko o największym ruchu w Europie ma dwie równoległe drogi startowe
W trzecim przypadku można uzyskać znaczący wzrost liczby wykonywanych operacji, ale niestety nie jest to proste przemnożenie 44 × 2. Dzieje się tak z wielu powodów a jednym z nich jest fakt, że przyloty i odloty nie odbywają się równomiernie. Czasami jest więcej jednych innym razem drugich. Albo więc musimy się pogodzić z np. lądowaniami wyłącznie na jednym pasie, podczas gdy startów jest mało albo skierować je na oba pasy, ale wtedy na jednym z nich wraca problem jednocześnie wykonywanych startów i lądowań. Gdy startów jest więcej, sytuacja jest analogiczna. Przyjmuje się, że lotnisko z dwoma drogami startowymi spokojnie powinno obsłużyć 60 operacji na godzinę.
Oczywiście powyższy schemat można jeszcze rozwijać, dodając kolejne drogi startowe równoległe bądź przecinające się, przy czym oczywiście każda kolejna droga startowa daje już mniejszy wkład do przepustowości. Jeśli chodzi o rekordzistów, to pierwsze miejsce zajmuje lotnisko w Atlancie, przekraczając 100 milionów pasażerów rocznie. Jego układ to właściwie dwie, ale zdublowane, równoległe drogi startowe. Mamy więc jakby dwa lotniska z dwoma drogami startowymi jak w punkcie pierwszym.
Lotnisko w Atlancie obsługuje rocznie największą liczbę pasażerów na świecie
Układ dróg kołowania, płyt i terminali
Samoloty muszą się jakoś dostać na drogę startową, a także gdzieś z niej skołować. Potrzebna jest więc wystarczająca liczba płyt postojowych i przepustowość terminali pasażerskich. Tutaj żadnej recepty podać nie można. Lotnisko po prostu może obsłużyć tylu pasażerów, na ilu projektowano terminale. Ale także układ dróg kołowania ma znaczenie. Samoloty muszą się bezkolizyjnie mijać w drodze i z drogi na pas. Powinna być możliwość przetasowania kolejki. Musi być odpowiednia liczba płyt odlodzeniowych. Jedną z bolączek lotniska Okęcie jest właśnie niezbyt przepustowy układ dróg kołowania. Często samoloty zjeżdżające z pasa blokują przejazd samolotom, które kołują do startu. Na dużych lotniskach stosuje się zdublowany układ dróg kołowania, które stają się wtedy jednokierunkowe - jak na autostradzie. Zasadniczym problemem jest też wypychanie samolotów spod terminala. W najprostszej wersji na małych lotniskach samolot wypycha się po prostu od razu na drogę kołowania. Rozwiązanie to ma zasadniczą wadę - wypychany samolot blokuje przejazd po tej drodze kołowania i uniemożliwia też wypychanie ze stanowisk sąsiednich. Dlatego lepszym rozwiązaniem są zatoczki, które obejmują kilka sąsiednich stanowisk. Samolot wypychany jest w taką zatoczkę i ustawiany nosem do drogi kołowania. Może tam poczekać na swoją kolej, nikogo nie blokując.
Podsumowanie
Przepustowość lotniska zależy od wielu czynników. Zasadniczym wydaje się układ dróg startowych, który limituje liczbę wykonywanych operacji oraz przepustowość terminali, która determinuje, jak wielu pasażerów można obsłużyć. W warunkach polskich wszystkie lotniska z wyjątkiem Okęcia wykorzystują jedną drogę startową, natomiast lotnisko w Warszawie ma dwie. Biorąc pod uwagę ruch spotykany na tych lotniskach (Warszawa - 15 milionów pasażerów, Kraków - 6 milionów, Gdańsk - 4,5 miliona), można przyjąć, że jeszcze wiele czasu minie, zanim liczby operacji zbliżą się do granic przepustowości układu dróg startowych tych lotnisk. Problemem pozostaje więc liczba terminali, w których miejsce szybko się wyczerpuje oraz układy dróg kołowania. Niektóre lotniska w Polsce czekają też na radary zbliżania. Głównie więc w tym kierunku należy spodziewać się rozwoju lotnisk w Polsce.
Nie jest więc do końca prawdą, że Okęcie w obecnej formie się zakorkuje, bo nie ma już miejsca na kolejną drogę startową. O ile ta trzecia droga startowa bardzo by pomogła, to nawet przy obecnym układzie nawet 60 milionów pasażerów rocznie jest w zasięgu. Potrzeba tylko budowy kolejnych terminali pasażerskich oraz rozwoju układu dróg kołowania.
Jak będzie wyglądał Centralny Port Komunikacyjny, o ile powstanie? Wydaje się, że naturalnym kierunkiem jest budowa dwóch równoległych dróg startowych w znaczącej odległości z terminalem pomiędzy nimi. Optymalnie byłoby, aby drogi te były też względem siebie rozsunięte - wtedy do startów wykorzystywana jest ta, do której progu jest bliżej od terminala i analogicznie lądujący na drugiej drodze startowej mają też krótsze kołowanie. Praktyka pokazuje, że jest to najbardziej efektywny sposób budowania lotniska, który umożliwia też w przyszłości swobodną jego rozbudowę. Nie widać specjalnie przewagi innego układu o ile nie ma jakichś ograniczeń terenowych.
Artykuł opublikowano też w serwisie Poprzezchmury.pl
Inne tematy w dziale Gospodarka
