飛機地面滑行/推進(jìn)系統(tǒng)研究

占新民

摘要：通過對比分析市場上已有或在研的、非發(fā)動機動力滑行的不同飛機地面滑行/推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)缺點，為國內(nèi)類似系統(tǒng)的研發(fā)提出參考意見和建議。

關(guān)鍵詞：飛機地面滑行；滑行系統(tǒng)；拖車；輔助滑行系統(tǒng)；電動綠色滑行

Keywords： aircraft ground taxiing；taxiing system；towing cart；alternative taxiing system；electric green taxiing system

0 引言

目前，行業(yè)中對飛機地面滑行/推進(jìn)系統(tǒng)（AGPS）或輔助滑行系統(tǒng)（ATS）的研究方向主要為避免使用發(fā)動機從停機位（登機位）滑行到跑道頭而研發(fā)的以電為動力的可替代裝置，AGPS可安裝在飛機上，也可在地面使用，以降低飛機滑行時的燃油消耗，提高飛機滑行效率，達(dá)到減少碳排放、降低維修成本的目的（見圖1）。

1 地面滑行/推進(jìn)系統(tǒng)（AGPS）的優(yōu)點

使用地面滑行/推進(jìn)系統(tǒng)將為運營人帶來節(jié)省燃油成本、排放成本、維護(hù)成本和時間成本四個方面的益處。

1.1 燃油成本

根據(jù)ICAO中對于飛機滑行階段的油耗估算建議值7%，假定飛機滑行中發(fā)動機工作處在7%的性能狀態(tài)，相當(dāng)于慢車，那么窄體機（A320）燃油消耗率為0.1kg/s。對于4發(fā)的A380飛機，燃油消耗率為1.2kg/s。飛機在繁忙機場的滑行和等待時間經(jīng)常會超過一個小時甚至更久（見圖2），耗油將更多，采用AGPS后將大大降低燃油成本。

1.2 時間成本

采用AGPS系統(tǒng)的飛機，完全無需常規(guī)的復(fù)雜耗時的“推出”（PUSH-BACK）程序，當(dāng)其他飛機向塔臺報告完畢等待拖車時，采用AGPS的飛機可以掛上“倒擋”先滑行出去，從而節(jié)省寶貴的時間。

1.3 排放成本

排放可分為噪聲和污染，很多機場對噪聲有時段限制，如規(guī)定早上6點前不得超過所限定的分貝，使用AGPS的飛機因先行推出有可能排上更早的班次，例如，某飛機5：45推出，6點滑到跑道入口剛好可以起動發(fā)動機起飛。在污染控制方面，目前歐洲對民航飛機的碳排放稅約為每噸4歐元，每節(jié)省一噸燃油可實現(xiàn)碳減排3.15噸。由于航空發(fā)動機工作狀態(tài)是針對高空巡航狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化的，地面慢車狀態(tài)時的排放參數(shù)表現(xiàn)較差（見表1），因而其碳排放表現(xiàn)不如使用AGPS的飛機。

1.4 維護(hù)成本

據(jù)統(tǒng)計，正常發(fā)動機的維護(hù)成本在100美元/飛行小時，使用AGPS后，由于減少了發(fā)動機的工作時間，也就降低了發(fā)動機的維護(hù)成本。此外，滑行期間不使用發(fā)動機將極大降低FOD（機場跑道異物）對發(fā)動機造成損害的可能，而目前由FOD造成的維護(hù)成本一般估計為22美元/每航班?？紤]到常規(guī)滑行期間對飛機碳剎車盤的磨損，預(yù)計應(yīng)用AGPS后剎車組件的使用時間可延長20%～30%。

綜上，AGPS的應(yīng)用有望帶來可觀的成本節(jié)省，尤其是應(yīng)用于繁忙的大型機場，市場前景看好。

2 地面滑行/推進(jìn)系統(tǒng)（AGPS）類型介紹

拖車除了常規(guī)的“拖車+拖把”或“無拖把（抱輪式）”方式外出現(xiàn)了新的類型，下面介紹4種新的典型飛機地面滑行/推進(jìn)系統(tǒng)/方式（見表2）。

2.1 Taxibot半自動滑行拖車（前輪驅(qū)動型）

在常規(guī)抱輪式拖車基礎(chǔ)上，改進(jìn)了抱輪機構(gòu)（見圖3、圖4），并在拖車上增設(shè)了能感知前輪轉(zhuǎn)彎和飛機剎車動向的傳感器。這種設(shè)計使得飛行員可以在駕駛艙直接操控飛機滑行。

Taxibot具有以下優(yōu)勢：

1）無需對飛機系統(tǒng)進(jìn)行改裝；

2）無需更改APU；

3）對飛機沒有增重，無需減載；

4）使用柴油發(fā)動機，動力足，適合各種機型的快速和長距離拖行和滑行?；兴俣瓤?，接近正常飛機自滑行的速度，約20～23節(jié)。試驗中，拖行74噸的A320飛機可以達(dá)到41km/h（23節(jié)）；

5）飛行員可以在駕駛艙與平時一樣通過前輪轉(zhuǎn)彎手柄和剎車腳踏直接操控滑行；常規(guī)推出動作由拖車司機完成，當(dāng)推出程序結(jié)束后，操縱權(quán)交由飛行員開始滑行；到達(dá)跑道入口后，拖車脫離，由司機駕駛返回，也可以拖行另一架落地飛機滑行回停機坪；

6）操作使用十分方便，飛行員僅需進(jìn)行很短時間的電子文件學(xué)習(xí)培訓(xùn)（無需使用模擬器培訓(xùn)）；

7）可以保護(hù)前起落架，使其始終不超過最大允許轉(zhuǎn)彎角度和最大允許的疲勞負(fù)載（過大的剎車或加速帶來的受力）；

8）在容易打滑和結(jié)冰道面滑行比傳統(tǒng)方式更安全。

使用Taxibot將飛機滑行到跑道頭帶來的挑戰(zhàn)包括：

1）對現(xiàn)有大型機場滑行運行規(guī)則將產(chǎn)生重大改變，需要航空公司/機場/空管多方進(jìn)行協(xié)調(diào)；

2）拖車返回時與其他飛機在滑行道上有沖突的可能；

3）需要在跑道頭設(shè)置“發(fā)動機啟動區(qū)”；

4）在跑道頭區(qū)域因飛機故障無法自身滑行或臨時改變起飛方向時，需要制定應(yīng)急方案；

5）雖然滑行過程節(jié)省了燃油使航空公司獲益，但拖車的投入可能是多方的，行業(yè)方面需要平衡協(xié)調(diào)多方利益。

該型AGPS的遠(yuǎn)期發(fā)展包括：柴油發(fā)動機改為更加經(jīng)濟(jì)的鋰電池或氫燃料電池；通過遙控方式進(jìn)行無人駕駛；智能自動駕駛（需依賴機場精確定位技術(shù)和自動駕駛技術(shù)的同步支持）。

Taxibot已經(jīng)在德國法蘭克福機場、印度德里機場等部分國外機場試用，并已獲得EASA、FAA和DGCA等機構(gòu)的認(rèn)證，還取得了中國民航局的A320系列的認(rèn)證，正在進(jìn)行波音737的認(rèn)證。

Taxibot類型設(shè)備是未來拖車主要發(fā)展方向。

2.2 Mototok遙控電動拖車（前輪驅(qū)動型）

與常規(guī)抱輪式拖車比較，Mototok使用鋰電池作為動力，電—液壓抬輪/抱輪，通過無線電遙控器操控（見圖5）。

Mototok外觀尺寸較小，無線電遙控器精準(zhǔn)控制，適合在維修區(qū)域移動飛機場合或在登機廊橋的飛機推出場合應(yīng)用。但是，Mototok是由地面人員使用遙控器進(jìn)行操作的，移動速度較慢，不適合飛機快速滑行應(yīng)用。

2.3 WheelTug前輪加裝電驅(qū)動設(shè)備

WheelTug由集成電機的新型前輪以及相應(yīng)控制組件、駕駛艙控制面板組成，APU供電（見圖6）。優(yōu)勢在于飛行員可以在滑行期間操控自如，完全掌控飛機的速度及方向。不足包括：需要對飛機進(jìn)行改裝，需要STC取證，研發(fā)投入較大；改裝對飛機增重；因受APU供電能力以及前輪電機尺寸限制影響，滑行速度較慢。

2.4 EGTS主輪加裝電驅(qū)動設(shè)備

EGTS系統(tǒng)借由輔助動力裝置（APU）的發(fā)電機驅(qū)動安裝于主起落架上的電動馬達(dá)，進(jìn)而帶動主輪滑行（見圖7）。飛行員可以在滑行期間自如操控，完全掌控飛機的速度及方向。但受APU供電能力影響，滑行速度較慢。同樣地，需要對飛機進(jìn)行改裝取得STC認(rèn)證，改裝會帶來重量的增加；可能涉及 APU的換裝；系統(tǒng)研發(fā)投入大。

由于油價長期走低以及需要APU換裝，EGTS項目（霍尼韋爾公司和賽峰集團(tuán)聯(lián)合研制）已在2016年下馬。

2.5 其他類型拖車

1）常規(guī)拖車：將柴油發(fā)動機改為電池，拖車小型化（見圖8、圖9）。

2）簡易型拖車：適合短距離拖行通航小飛機（見圖10）。

3 建議

1）Taxibot類型設(shè)備是目前具有較高的滑行速度和較強動力的設(shè)備，應(yīng)是未來拖車主要發(fā)展方向。該類型設(shè)備可考慮作為重點研發(fā)方向之一，實現(xiàn)國產(chǎn)替代。

2）Mototok類型設(shè)備體積小巧、控制靈活，適合在維修區(qū)域移動飛機或在登機位飛機推出場合使用?？煽紤]作為重點研發(fā)方向之一，實現(xiàn)國產(chǎn)替代。

3）WheelTug和EGTS類型設(shè)備投入大，涉及飛機改裝，STC取證程序復(fù)雜?；行适蹵PU供電能力限制的影響，在增重/減載、節(jié)省燃油以及滑行效率上需要權(quán)衡考慮。對于目前市場上運營的機型不建議研發(fā)投入。

參考文獻(xiàn)

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