基于CCO 運(yùn)行的離場(chǎng)航空器航跡仿真及油耗分析

任治

（中國民用航空局空中交通管理局，北京 100018）

現(xiàn)代民航業(yè)對(duì)航空器運(yùn)行過程中燃油消耗及碳排放的要求愈加嚴(yán)苛，而國際原油價(jià)格的一路高漲也使得航空公司運(yùn)營(yíng)成本不斷攀升。為提高航空器進(jìn)離場(chǎng)效率，改善燃油經(jīng)濟(jì)性，國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）提出了連續(xù)爬升運(yùn)行（Continuous Climb Operations，CCO）和連續(xù)下降運(yùn)行（Continuous Descent Operations，CDO）兩個(gè)運(yùn)行理念，CCO 與CDO 運(yùn)行理念下飛機(jī)將最大限度的利用其設(shè)計(jì)的最佳性能垂直剖面進(jìn)行連續(xù)的爬升和下降。CCO 用于飛機(jī)離場(chǎng)程序中，相較于傳統(tǒng)離場(chǎng)程序“階梯式”的爬升過程，其垂直剖面更加平滑，同時(shí)可優(yōu)化飛行員操作過程、有效降低燃油消耗，一定程度上提升了爬升效率，從而進(jìn)一步提升離場(chǎng)效率和空域容量，為大流量運(yùn)行情況下的運(yùn)行安全提供了更高的保證。因此有必要對(duì)CCO 離場(chǎng)和傳統(tǒng)離場(chǎng)程序進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)一步量化CCO 在燃油經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢(shì)，以期為未來實(shí)現(xiàn)完全CCO 運(yùn)行提供理論支持。

1 仿真模型建立

1.1 仿真評(píng)估軟件環(huán)境

波音爬升程序(Boeing Climb Out Program，BCOP)是Windows 界面下用于對(duì)終端區(qū)程序（如進(jìn)離場(chǎng)或進(jìn)近程序）及航路飛行進(jìn)行飛機(jī)性能計(jì)算的軟件，該軟件可以根據(jù)輸入的飛機(jī)機(jī)型、發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)、機(jī)場(chǎng)跑道信息、機(jī)場(chǎng)的氣象信息、預(yù)先設(shè)定的垂直和水平飛行計(jì)劃軌跡，輸出詳細(xì)的飛行過程各類參數(shù)報(bào)告，生成飛機(jī)的垂直剖面和水平模擬軌跡。該軟件主界面如圖1 所示。

圖1 軟件主界面

波音飛行性能軟件BCOP 主要模塊：

“Computation”界面選擇計(jì)算類型和輸出參數(shù)，生成計(jì)算報(bào)告；

“Airplane Configuration for”界面選擇機(jī)型、發(fā)動(dòng)機(jī)使用和襟翼位置；

“Airport Info for”界面定義機(jī)場(chǎng)名、標(biāo)高、跑道信息、導(dǎo)航臺(tái)信息及機(jī)場(chǎng)的溫度、風(fēng)速等氣象信息；

“Vertical and Lateral Navigation”界面設(shè)置飛機(jī)的垂直剖面和水平航跡；

“Initial Conditions”界面設(shè)置飛機(jī)的起飛重量、襟翼角度和溫度等參數(shù)；

“In-Flight Starting Conditions”界面用于飛機(jī)起飛狀態(tài)飛機(jī)起始信息的設(shè)置。

1.2 太原機(jī)場(chǎng)離場(chǎng)仿真模型

利用BCOP 機(jī)場(chǎng)信息處理界面確定機(jī)場(chǎng)跑道的長(zhǎng)度、標(biāo)高、經(jīng)緯度坐標(biāo)和導(dǎo)航臺(tái)的標(biāo)高、類型、經(jīng)緯度坐標(biāo)、磁差、機(jī)場(chǎng)氣象信息，建立太原機(jī)場(chǎng)進(jìn)離場(chǎng)空域基本模型。處理界面如圖2 所示。太原機(jī)場(chǎng)，ICAO 代碼ZBYN，機(jī)場(chǎng)標(biāo)高2579 英尺，目前擁有一條跑道（代號(hào)為13-31），導(dǎo)航設(shè)施有本場(chǎng)除VOR/DME 臺(tái)TYN，此外還有ANPIG、MAPMU 等6 個(gè)五字代碼點(diǎn)用于離場(chǎng)。

圖2 機(jī)場(chǎng)信息界面

太原機(jī)場(chǎng)由13 號(hào)跑道起飛后，順時(shí)針方向沿DME 弧分別分布有ANPIG -01D、OKVUM -01D、MAPMU01D、MAPMU -02D、OMKAK-01D 五條離場(chǎng)程序，逆時(shí)針方向沿DME 弧分別分布有UBLAT-01D、UBLAT-02D、TODAM-01D 三條離場(chǎng)程序，其中向西北方向穿過市區(qū)有一條較長(zhǎng)的走廊，為本場(chǎng)最長(zhǎng)的一條離場(chǎng)程序TODAM-01D，從數(shù)量上看西部離場(chǎng)程序略密于東部。

下文將利用BCOP 建立階梯式爬升垂直剖面和CCO 運(yùn)行垂直剖面，并分別用于8 條SID離場(chǎng)程序進(jìn)行計(jì)算并分析結(jié)果。

2 仿真結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 航跡仿真結(jié)果

在BCOP 中，分別依據(jù)表1 和表2 建立的階梯式爬升垂直剖面和CCO 運(yùn)行垂直剖面，利用B737-800 飛機(jī)性能數(shù)據(jù)及圖1 軟件初始設(shè)定進(jìn)行仿真模擬后的垂直軌跡如圖3 所示。

圖3 垂直軌跡仿真結(jié)果

表1 全發(fā)工作階梯式爬升離場(chǎng)垂直剖面

表2 全發(fā)工作CCO 離場(chǎng)垂直剖面

將所選8 條離場(chǎng)程序分別利用階梯式爬升和CCO 垂直剖面做仿真計(jì)算，令每條飛行程序兩種爬升過程均達(dá)到相同高度層，以ANPIG-01D 為例，其飛行過程見表3。由于CCO 和階梯式爬升對(duì)于水平軌跡影響較小（CCO 略早于階梯式爬升到達(dá)指定高度層），ANPIG-01D離場(chǎng)程序水平軌跡如圖4 所示。

表3 ANPIG-01D 水平剖面

圖4 ANPIG-01D 水平軌跡圖

2.2 燃油經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)BCOP 運(yùn)行后生成的報(bào)表數(shù)據(jù)分析可得，采用CCO 運(yùn)行模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)階梯式爬升后，燃油消耗量和CO2排放量均有減小，其中每個(gè)航班每次平均燃油消耗減少40Lb（約18.14Kg），CO2排放量減少57.17Kg，按照太原機(jī)場(chǎng)2019 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（2019 年之后機(jī)場(chǎng)起降數(shù)據(jù)受“新冠”疫情影響，參考意義不大），其全年起降架次達(dá)到108275 架次，其中離場(chǎng)航班54138 架次，若離場(chǎng)全部改為CCO 運(yùn)行，則單一燃油消耗可節(jié)約982063.3Kg(約982t），CO2排放量減小3095069.5Kg(約3095t），因此CCO運(yùn)行對(duì)于燃油經(jīng)濟(jì)性有一定的改善。圖5、6 分別為兩種運(yùn)行模式燃油消耗對(duì)比圖和CO2排放量對(duì)比圖。

圖5 燃油消耗對(duì)比圖

3 結(jié)論

本文參照ICAO 對(duì)于CCO 相關(guān)運(yùn)行理念，得到簡(jiǎn)化的CCO 運(yùn)行垂直剖面航段，利用BCOP 軟件建立太原機(jī)場(chǎng)仿真模型，設(shè)定8 條離場(chǎng)程序水平剖面，通過CCO 和傳統(tǒng)階梯式爬升對(duì)比分析，得到不同垂直剖面對(duì)于燃油消耗和CO2排放量的量化分析數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，CCO 模式相較于傳統(tǒng)階梯式爬升運(yùn)行，可為太原機(jī)場(chǎng)節(jié)約大量航空燃油及CO2排放量。因此有必要逐步推廣CCO 運(yùn)行模式。但是本文僅對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和碳排放進(jìn)行評(píng)估，無法反映其在噪聲控制、管制負(fù)荷等方面的運(yùn)行情況，且所使用的CCO 程序?yàn)榛綜CO 程序，下一步將分別對(duì)基本CCO 程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提升其運(yùn)行效率。

圖6 CO2 排放量對(duì)比圖