評估連續(xù)下降在終端區(qū)運行所產(chǎn)生的利益和影響

黃晉

摘 要： 介紹一個利用下降軌跡的優(yōu)化來減少燃料消耗和污染物排放的案例研究。抵達航班通過一系列基線下降軌跡的轉換，觀察到的雷達跟蹤數(shù)據(jù)的采集和怠速油門的下降軌跡來沿垂直面下降。對基線的軌跡和抵達航班，以及它們的連接進行了深入的描述。對兩種白天運營的優(yōu)化下降程序的實施方案（無約束和約束）進行了分析。對在無約束優(yōu)化下降和約束優(yōu)化下降的情況下雙方的潛在利益和沖突造成的這種運營情形進行量化。優(yōu)化下降到場程序的操作過程是可以實現(xiàn)的，燃油和排放節(jié)省了效益，同時避免與其他交通的沖突。

關鍵詞： 連續(xù)下降進場； 優(yōu)化下降； 節(jié)省燃油； 減少排放

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）10?0098?05

近期航空燃油價格不斷提升，環(huán)境問題越來越嚴重，促使不得不去研究減少航空運輸燃油消耗，污染物排放和噪音的方法。在飛行的下降階段，為減少這些因素的影響重新設計飛機進場航線和程序，使得飛機可以減少油門的使用。下降航線和程序的設計旨在減少優(yōu)化下降面（OPD）下降時油門的使用。在OPD最為理想的情況中，下降的飛機不會在下降過程中使用任何油門。相反的，將對減速下降飛機的勢能和動能進行優(yōu)化管理，到達的飛機將能夠從巡航階段滑翔下來，其發(fā)動機處于怠速狀態(tài)，將其動能和勢能轉化為對機體的阻力。在這種情況下，在抵場過程中燃料的燃燒和排放的污染物將被最小化。這通常被稱為連續(xù)下降進近（CDA）。然而，在實際的操作中，進近中的飛機并不總是能夠沿著飛機具體的優(yōu)化高效的軌跡下降。在正常交通流量水平，如在白天操作的情況下，由于安全性和效率的需要所產(chǎn)生的約束通常需要飛機使用推力來維持水平飛行。這些水平飛行階段的存在導致飛機相比于怠速下降燃燒更多的燃料。

該研究大量的利益來自于下降飛機能夠接近他的最優(yōu)下降軌跡，同時避免與未到達的交通流的沖突。假定在怠速油門階段，基線進近飛行的垂直面，從雷達追蹤數(shù)據(jù)轉化到新的垂直面。進近中飛機的地面軌跡和速度保持不變，使得飛機之間的橫向和縱向間隔保持不變。這種轉變允許集中評估改進的垂直面的潛在效益。交通之間的相互作用，允許識別優(yōu)化下降面的到場交通流和非到場的交通流之間的潛在沖突，但并沒有解決如果沿優(yōu)化下降面進近，以及進近的縱向間隔是如何改變的。

首先，潛在的燃油消耗和減少排放的好處大約85%來自于低于20 000英尺高于平均海平面高度（MSL）的優(yōu)化下降軌跡。其次，如果在下降交通流中允許無限制的連續(xù)下降，下降中的飛機進行進近傾斜時與離場流量可能出現(xiàn)沖突。第三，這樣去除了從航路到終端空域的越區(qū)切換和水平飛行，實現(xiàn)了15%的燃料節(jié)省和減排，同時避免了許多的OPD到場和未到場流量之間的潛在沖突。

1 背 景

國際伙伴之間的合作和許多獨立的研究項目目前正在進行，調查以減少航空運輸油耗，排放和噪音的方法。這些研究跨越兩大洋并且包括工業(yè)界，政府和學術界之間的合作。在大西洋地區(qū)，大西洋互操作性計劃，減少排放（AIRE）的成立，其目標是加速對飛行所有階段環(huán)境改善的發(fā)展[1]。在太平洋地區(qū)，亞洲和南太平洋主動減少排放（ASPIRE）的成立是為了使這一目標擴展到亞洲和南太平洋地區(qū)的航班。

作為AIRE和ASPIRE項目的初始里程碑的一部分，對利用優(yōu)化下降面來進行飛行進近的現(xiàn)場試驗已經(jīng)完成，包括從巴黎到邁阿密，從奧克蘭到舊金山跨洋航班。這些試驗驗證優(yōu)化下降的環(huán)境效益。

除了飛行的下降階段，正在進行的研究還包括在離場、巡航和表面作業(yè)時排放和燃油消耗的減少。在這些飛行階段能創(chuàng)造的利益是不同的，但是在下降過程中減少燃油和排放的潛力是一樣的[2]。

2 方 法

本文通過模擬優(yōu)化下降面的當前進近來評估白天執(zhí)行OPD的好處和影響。下面詳細介紹如何從基線到建模OPD飛行實現(xiàn)轉型。

2.1 基線到場軌跡的描述

航班抵達丹佛國際機場的地面軌跡如圖1所示。

圖1 航班抵達丹佛國際機場的地面軌跡

地速、海拔、燃油消耗率和飛行速度制動器的使用如圖2所示。地面速度和高度的提取來自于雷達對飛行航跡的記錄。燃料燃燒率和速度制動器的使用是從使用模擬歐洲航空安全組織的航空器數(shù)據(jù)（BADA）飛行性能數(shù)據(jù)庫的飛行軌跡信息中計算得出的[3]。沿水平軸的地面軌跡在跑道之前的距離用海里（NM）表示。所有的量顯示于單一圖形中來說明它們之間的聯(lián)系，每個數(shù)量都用圖2的顏色和單位來標示。

圖2 基準到場航班的垂直面和軌跡

到場飛機的軌跡在圖2中遵循從左至右的原則，巡航階段可見于左側（在-150 NM），跑道可見于右側（在0 NM）。在地面軌跡圖中，下降點上方的位置由海拔線上的紅點表示。這個特殊的到場檢查結果顯示，它在降落前135 NM處開始降落。在開始降落前燃燒燃料大約75 lb/min。在下降點的正上方飛機開始以1.8°的下降率，30～50 lb/min的油門下降。在距離著陸約70 NM的地方飛機開始在慢車推力狀態(tài)下以3.9°的下降率，并利用少量的速度剎車下降，從而避免加速下降。到場飛機在13 000英尺MSL處水平飛行距離著路50 NM。為了水平飛行，需為飛機提供動力燃燒大約75 lb/min的燃料。

飛機到場軌跡的描述包括很多大于慢車推力狀態(tài)下的水平飛行和下降階段。由于空域的限制和間距需要進行水平飛行。如果這些下降和水平飛行能夠被在怠速油門狀態(tài)下下降所取代，那么在飛機飛行階段將會潛在地減少總的燃油使用量和排放量。

2.2 模擬優(yōu)化下降面到場軌跡的描述

對于模擬優(yōu)化下降面到場軌跡，首先巡航階段被延長，使得下降點更靠近跑道；其次，整個下降是在怠速狀態(tài)下執(zhí)行，地面軌跡和速度不變。燃料消耗模型被用來計算上一航段的油耗和速度剎車使用率，其可反向應用到計算其油耗和速度制動設置下的飛行模擬軌跡。模擬軌跡過程的結果被稱為優(yōu)化下降面到場軌跡。沿著模擬優(yōu)化下降面到場軌跡的新的下降點通過軌跡開始段附近的紅點顯示。

與圖1比較可知，新的下降點頂端距離跑道距離相比于基線進場近約40 NM。結合圖2，地速，海拔，燃油消耗率和模擬OPD到場速度制動器的使用繪制在圖3中。作為基準軌跡，下降點頂端的位置顯示在紅色高度線上，模擬飛行的軌跡遵循從左至右。模擬優(yōu)化下降面到場的顯示與基線軌跡有所不同。首先，在飛行水平面3 200英尺的巡航段擴展大約40 NM，新的下降點頂端距離底端90 NM。在延長巡航階段，飛機燃燒燃料約75 lb/min，在下降點頂端飛機開始以2.8%下降率怠速狀態(tài)下下降。因為低海拔地區(qū)空氣密度的增加，導致怠速狀態(tài)下的飛機下降燃料燃燒率增加。為了降低飛機速度而進行水平飛行，在真實飛行中，飛行員會在這一點拉桿來使飛機減速。到場的其他飛機繼續(xù)以2.5%～3.0%下降率著陸。

圖3 優(yōu)化下降面的垂直面和軌跡

2.3 基線與模擬OPD飛行軌跡的比較

基線飛行和模擬OPD飛行軌跡如圖4所示，基準飛行軌跡被繪制成一組細線，OPD軌跡被繪制成一組粗線。注意基線和模擬軌跡的地速是相同的，這里只有一條單一的線是地速。兩者的比較揭示了如何將兩個燃料的燃燒速率在沿地面軌跡的相同位置進行比較。在巡航延伸階段，模擬OPD進場燃料燃燒率高于基線進場。

圖4 基線與模擬OPD飛行軌跡的比較

需要額外的燃料燃燒來維持增加的巡航長度。當在下降點頂端時，模擬OPD進場燃料燃燒率低于基線進場。這是因為OPD下降時油門處于怠速狀態(tài)。模擬OPD軌跡在高油門狀態(tài)下不能達到平衡水平。

總體來說，得出的結論是，如果所考慮的基線到場已下降到OPD，它會在巡航延長段燃燒更多的燃料，但從其下降點開始燃燒更少的燃料。這兩種效應的凈燃油消耗的區(qū)別是在OPD到場節(jié)省了220 lb的燃油消耗[4]。

3 分 析

從基線向模擬OPD軌跡的轉換可以應用到所有丹佛國際機場的進場，以此來了解如果所有的進場都采用OPD運行將如何改變。特別地，轉換將給出燃料節(jié)省和減排收益的估測，以及突出OPD進場運行和當前離場運行的潛在沖突。

下面詳細介紹潛在利益和沖突：

3.1 無約束連續(xù)下降

無約束連續(xù)下降就是在進場過程中從巡航到著陸處于怠速狀態(tài)下的連續(xù)下降。在理想情況下通過允許飛機在最佳下降面上飛行來獲取最大的利益。然而，執(zhí)行這種理想情況將會導致無約束下降和其他交通流之間的沖突。

在無約束連續(xù)下降的情況下模擬OPD進場的進場流量和基線離場流量。從對模擬OPD進場流的檢測可以發(fā)現(xiàn)他們與基線離場流存在沖突。沖突發(fā)生在基線和離場流的垂直間隔區(qū)域。OPD下降相比于基線進場在一個更高的高度飛行，離場流與進場流的垂直間隔信息可能會丟失。另一方面，自從OPD進場在離場上方更高處飛行，在執(zhí)行OPD時進場和離場之間將不會產(chǎn)生沖突。

從巡航到著陸之間的無約束的連續(xù)下降產(chǎn)生的燃料節(jié)省和減排所獲得的利益如表1所示。表1的上面4行是來自北方定位點的短邊進場，下面4行是來自南邊定位點的長邊進場。如前所述，燃料的節(jié)省通過歐洲航空安全組織的航空器數(shù)據(jù)飛行數(shù)據(jù)庫來計算。減排量是通過基于燃料燃燒的恒定相乘來計算的[5]。

在無約束連續(xù)下降的情況下通過對模擬OPD進場的分析可以知道這種運行不僅產(chǎn)生沖突，同時也可以實現(xiàn)潛在的利益。模擬OPD進場交通流與基線離場交通流共享一個空域。如果這些潛在的沖突沒有緩解，由于終端管制員交替封鎖進場和離場空域，運行OPD將會失去一定容量。除了潛在沖突，現(xiàn)場試驗和仿真模擬的結果表明，OPD進場和交叉交通流之間的潛在沖突也存在于航路空域。表1中這些數(shù)字是理想所能獲取的最高的利益。如果把所有抵達丹佛的飛機的潛在能源節(jié)省加起來，總的受益將是每天20 000 gal燃料。相應地每天減少排放200萬噸的二氧化碳和100 lb左右的二氧化硫。

3.2 沖突緩解方針

從第3.1節(jié)的分析可知，如果進場允許無約束下降，OPD進場和離場交通流的沖突將會增加。雖然OPD運行能夠產(chǎn)生巨大的利益，但同時沖突的增加導致無約束下降不可行。相反，某些緩解策略需要被應用來避免這些沖突。

表1 模擬無約束條件下的減排和燃料節(jié)省

3.2.1 延遲啟動

這里所描述的第一個緩解沖突的策略是避免航路空域上的OPD下降飛機和交叉交通流的沖突。這種類型的沖突能夠通過限制飛機在一定高度上的怠速下降來避免。例如，OPD到場的連續(xù)下降部分能夠被起始點低于OPD的起始高度所限制。在此高度上的到場飛機將遵循正常的空中交通管制程序，包括由航路空中交通管制員發(fā)出的任何指令。執(zhí)行這一方針的潛在利益的減少量化見圖5。每一條都表示特定機型從丹佛機場進場定位點到16L跑道潛在能源的節(jié)省。水平軸是OPD起始高度。在最右邊是起始于飛行水平面4 000英尺的連續(xù)下降部分，這意味著飛機可以執(zhí)行無約束連續(xù)下降。當OPD起始高度低于飛行水平面2 500英尺，85%潛在燃料的節(jié)省將被保留。

圖5 潛在利益的減少量化圖（一）

3.2.2 提前終止

第二個緩解沖突的策略是針對避免終端空域OPD下降飛機和離場交通流的沖突。這種類型的沖突能夠通過要求飛機達到一定高度的情況下結束怠速下降來避免。例如，在OPD終止高度，OPD到場的連續(xù)下降部分能夠被要求停止。低于此高度的到場飛機需要遵循正常的空中交通管制程序，包括任何離場交通流的上方或下方。實施第二策略的利益減少的量化見圖6。水平軸是OPD終止高度。最左側是連續(xù)下降部分擴展到常壓高以下的例子（即無約束的連續(xù)下降）。OPD的終止高度導致潛在的燃料節(jié)省降低。當OPD終止高度上升到飛行水平面1 500英尺，將近70%的潛在節(jié)省燃料將不再可用。

圖6 潛在利益的減少量化圖（二）

3.3 約束連續(xù)下降

第3.2節(jié)所描述的緩解沖突的方針幫助避免了航路上的交叉交通流與終端空域離場流的沖突。結合兩種方針，OPD程序提供了一個更低的利益，但同時也避免導致OPD程序不可行的沖突。具體地說，如果OPD起始高度被設定為飛行水平面2 500英尺和OPD終止高度被設定為飛行飛行水平面1 500英尺，所得到的OPD程序將避免高海拔和低海拔的沖突。

在25 000英尺MSL和15 000英尺MSL之間的約束連續(xù)下降條件下平均每次飛行所節(jié)省燃料和減排利益見表2。

表2 約束連續(xù)下降條件下平均每次飛行所節(jié)省燃料和減排利益

潛在燃料和排放的節(jié)省效益分別列于每個到達方向。如預期，比較表1可知約束連續(xù)下降潛在利益低于無約束連續(xù)下降。如果把每個到場方向的燃料和排放節(jié)省總加在一起，總的潛在燃料的節(jié)省利益將是3 000 gal每天。相關的排放量節(jié)省每天減少排放30萬噸的二氧化碳和15 lb的二氧化硫。潛在益處的減少到只占最理想情況下潛在利益的15%。然而，與其他交通的可能的沖突也被降低[6]。

4 結 語

本文的重點研究了丹佛國際機場執(zhí)行OPD進場的潛在利益和沖突的案例。潛在的利益和沖突通過實際到場航班軌跡的轉換顯示出來，從雷達數(shù)據(jù)的采取，到模擬OPD進場飛行。對這兩種實現(xiàn)方案進行了分析。在第一種情形中，進場航班被允許沿著約束連續(xù)下降軌跡下降，并對其進行了優(yōu)化，以減少油門的使用。第一種方案的利益可以達到每日節(jié)省20 000 gal燃料，每日減少排放200 t二氧化碳和100 lb二氧化硫。然而，進場航班和其他交通流之間的相互作用的檢測揭示了多個潛在沖突，這些潛在沖突由于允許進場沿著他們的最優(yōu)軌跡下降而產(chǎn)生。具體而言，OPD進場下降經(jīng)歷了航路空域上的交叉交通流和終端空域的離場交通流之間的潛在沖突。為了避免OPD進場和航路交叉交通流之間的潛在沖突，提出了一個緩解方針，這個方針涉及到延遲連續(xù)下降的起點直到進場飛機下降到一個特定的高度以下。在這個高度之下，下降飛機將執(zhí)行逐步下降的正常運作，以避免與交叉交通流的沖突。同樣，為了避免OPD進場與離場交通流之間的潛在沖突，提出了一個緩解方針，這個方針涉及到在一個特點的高度以下時終止連續(xù)下降。低于這個高度的飛機在當前操作下將執(zhí)行水平飛行來避免與離場交通流的沖突。這兩個緩解沖突方針在第二個執(zhí)行場景中聯(lián)合使用。

執(zhí)行OPD進場不僅可以獲得真實可測的利益，而且可以避免與其他交通流的沖突。特別是OPD進場操作不需要為了產(chǎn)生燃料節(jié)省和減少排放的利益被最大程度的執(zhí)行。執(zhí)行OPD進場操作的約束和限制是充分的。約束連續(xù)下降場景通過精心選擇被移除的水平飛行部分來顯示，獲取利益的同時沖突也被避免。

參考文獻

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