基于BCOP的飛行航跡預(yù)測及性能仿真分析

摘 要：飛機在終端區(qū)起飛、進近著陸時，為了對飛行安全性和經(jīng)濟性進行評估，必須對飛機的各項性能參數(shù)進行分析，文章通過使用波音公司的飛行爬升性能分析軟件（BCOP）進行計算，分析在不同起飛重量的條件下經(jīng)過BCOP計算后，對飛機航跡、發(fā)動機推力、燃油流量、燃油消耗率、N1轉(zhuǎn)速，升力系數(shù)、高度、馬赫數(shù)、飛機迎角等參數(shù)進行處理，利用Matlab中對飛機的性能參數(shù)進行仿真繪圖。

關(guān)鍵詞：航跡；飛機性能；油耗分析；飛行動力學(xué)；爬升性能

引言

航空器在飛行時，其飛行性能參數(shù)如飛行迎角，燃油消耗率，垂直爬升梯度，發(fā)動機推力等對飛行安全性能評估具有重要參考意義，研究飛行性能參數(shù)，對保證飛行安全、維護空中交通秩序具有深刻的意義。文章通過挖掘波音公司飛行性能分析軟件（BCOP）中的數(shù)據(jù)，通過Matlab進行仿真分析，對比分析不同起飛重量下飛機的性能參數(shù)。

1 計算公式

1.1 飛行動力學(xué)方程

g是飛行爬升角，L是升力，W表示重力，F(xiàn)N是發(fā)動機推力，D是阻力，V是飛行空速，？琢表示飛行迎角，？茁是飛行坡度角。

1.2 飛機質(zhì)心動力學(xué)方程

波音爬升程序（BCOP）是用于分析航路并利用用戶提供的離場或進近程序計算飛機性能軟件，該軟件可以根據(jù)輸入的飛機機型、發(fā)動機信息、機場跑道信息、機場的氣象信息、設(shè)定的垂直航路和水平航路，輸出飛機的幾何高度。

2 初始化設(shè)置

起飛機場：ZSQD，氣象，17號跑道，OAT25，起飛重量16000磅，其他設(shè)置不變，通過輸入不同的起飛重量分別是16000磅，17000磅，18000磅，進行多次計算，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Matlab中進行后處理。

3 飛行航跡仿真預(yù)測

分析圖1中曲線，隨著飛機起飛重量的增加，飛機在既定航線飛行時，飛機在150000磅時，相較于其他兩個曲線，垂直爬升梯度更大，垂直爬升能力更強，飛機重量越大，爬升梯度和爬升能力越小。

同時，分析地面航跡時，隨著飛機起飛重量的增加，飛轉(zhuǎn)彎半徑與飛機重量趨勢呈正相關(guān)，飛機重量小，飛機在機動轉(zhuǎn)彎等動作時，水平機動性更好，更加敏捷。同時意味著飛機機動轉(zhuǎn)彎更快，油耗更低，經(jīng)濟性更加，增加了空域流量分析飛機空間曲線，可以看出，深黑色的曲線最先達到最高點，代表重量最輕的飛機，表明飛機重量輕，飛機的爬升能力強，相比其他兩組模擬仿真實驗，飛機的航跡在對應(yīng)點出，最高。

4 飛機性能分析

飛機開始從跑道滑行到飛機起飛時，飛機的單發(fā)推力都很大，重量不同，從曲線上分析，差別不明顯，隨著飛行高度增加，推力平緩的減小。中間出現(xiàn)兩次明顯的快速下降現(xiàn)象，是由于飛機做了機動轉(zhuǎn)彎，第二次轉(zhuǎn)彎時，飛機的推力下降更為顯著，并且持續(xù)時間更長，說明飛機的轉(zhuǎn)彎角度更大，耗時更長。隨后飛機的推力持續(xù)較小，飛機重量越小，維持其實現(xiàn)巡航飛行的推力也相應(yīng)的越小，并且可以看出，飛機重量輕，單發(fā)凈推力下降的坡度能更快的實現(xiàn)減推。（如圖3）

飛機在地面時，圖4中能看出其對應(yīng)高度為0，升力系數(shù)為0，隨著飛機起飛離地，升力系數(shù)急劇增加，雖有隨著飛機的高度不斷上升，升力系數(shù)不斷逐步降低，曲線中間出現(xiàn)臺階部分，是在飛機做機動轉(zhuǎn)彎時導(dǎo)致的，最后達到一定高度后，飛機的處于巡航狀態(tài)，升力重力平衡，升力系數(shù)達到一個最小值后基本保持平穩(wěn)。通過分析三個曲線，分析N1圖表可以看出，隨著飛機起飛重量的增加，飛機在既定航線飛行時，飛機在150000磅時，相較于其他兩個曲線，能夠更早到達最大N1轉(zhuǎn)速，意味著飛機越輕，其加速性能越好。轉(zhuǎn)彎半徑與飛機重量趨勢呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，飛機重量小，意味著飛機在機動轉(zhuǎn)彎時越容易，水平機動性更好，更加敏捷。另外，可以看出，N1轉(zhuǎn)速，出現(xiàn)局部階躍現(xiàn)象，出現(xiàn)跳動的區(qū)域，是由于飛機轉(zhuǎn)彎機動時推力減小，兩次轉(zhuǎn)彎不斷進行相應(yīng)的調(diào)整，其中第二次推力變化相對比較大。飛機重量輕，意味著飛機在轉(zhuǎn)彎時所需要的最小推力更小，圖5中，深黑色線就是150000磅時的曲線，最低點數(shù)值最小。

5 結(jié)束語

通過BCOP的仿真分析，可以看出，飛機的起飛重量對飛機的飛行航跡、機動能力有明顯的影響，飛機的重量越輕，其轉(zhuǎn)彎、爬升、加速等就越優(yōu)異。另外，通過飛行油耗分析，對不同起飛重量下的飛行，進行預(yù)測分析，飛機起飛重量越輕，其在各個階段（滑行、爬升、轉(zhuǎn)彎、加速、巡航等）油耗明顯較低。因此，對航空而言，在保證安全和相關(guān)需求的情況下，盡量降低飛機的業(yè)載，能夠明顯提高運行經(jīng)濟性。

參考文獻

[1]吳鵬，潘薇.基于數(shù)據(jù)挖掘的四維飛行軌跡預(yù)測模型[J].計算機應(yīng)用，2007，27（11）：2637-2639.

[2]孫煒，白劍林.一種空中目標航跡的灰色預(yù)測方法[J].電光與控制，2009，16（6）：12-15.

[3]陳廷楠.飛機飛行性能品質(zhì)與控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.