民機(jī)節(jié)油策略研究

張 偉 / Zhang Wei

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

?

民機(jī)節(jié)油策略研究

張 偉 / Zhang Wei

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

節(jié)油是航空公司的長效措施，各航空公司均很重視。從飛行具體環(huán)節(jié)出發(fā)，基于性能研究民機(jī)節(jié)油策略，給出飛行前重量、重心、APU使用和滑行等措施分析和建議，并給出起飛、爬升、巡航、下降和進(jìn)近著陸的經(jīng)濟(jì)飛行節(jié)油策略分析和建議。通過對飛行具體環(huán)節(jié)節(jié)油策略的研究，提出重視飛行計(jì)劃優(yōu)化和執(zhí)行的思路，案例分析優(yōu)化效果，對比分析現(xiàn)有飛行計(jì)劃方法，得出飛機(jī)制造商提供包含飛行計(jì)劃和QAR(Quick Access Recorder)分析系統(tǒng)等的整體IT解決方案，是提升節(jié)油效果的一個性價比很高的選擇的結(jié)論。

民用飛機(jī)；節(jié)油；飛行計(jì)劃；經(jīng)濟(jì)飛行

0 引言

航空公司的燃油成本占運(yùn)營成本35%左右，節(jié)油成為航空公司提高經(jīng)濟(jì)效益和滿足環(huán)保要求的長期策略[1-2]。各航空公司雖然制定了一系列節(jié)油措施，效果顯著，但節(jié)油還有更多潛力可挖[3-8]，且相比飛機(jī)設(shè)計(jì)降低油耗的長周期而言往往更快甚至更有效。本論文主要基于性能分析研究航空公司如何節(jié)油，并通過機(jī)型案例進(jìn)行節(jié)油效果檢查，未分析維修等其它方面因素。

1 飛行前

1.1 重量

重量增加，油耗增加。著陸重量每減少1%，使得飛行油耗可降低0.75%～1%[9]。國際公認(rèn)航班落地剩余油量為1.25小時為最佳，也就是對于波音737這一類機(jī)型來說，落地油量在3t左右較為合適[8]。

每1 000lb零油重量的減少對波音各機(jī)型輪擋油耗影響如表1所示。

表1 每1 000lb零油重量對波音機(jī)型輪擋油耗的影響

另根據(jù)IATA的統(tǒng)計(jì)，每1kg重量帶來的油耗影響在2%～7%之間。奧凱航空飛機(jī)載重每減少100kg，每小時可減少燃油消耗2.1kg。

飛行中應(yīng)盡量降低重量，包括著陸重量、零油重量和油量等。航空公司通常會采用該措施，但需與機(jī)場和空管等部門協(xié)同才能效果更好。例如，加油液面不穩(wěn)定會導(dǎo)致加油量不準(zhǔn)確，多加油往往會使重量增加數(shù)百公斤，這使得減重效果蕩然無存，少加油則影響飛行安全。

1.2 重心

重心后移，配平阻力降低，油耗降低。飛機(jī)起降性能數(shù)據(jù)基于前重心計(jì)算。

長航程寬體機(jī)，如波音747、A340等往往通過配平油箱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，轉(zhuǎn)移燃油位置而調(diào)整飛機(jī)的重心。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每1%平均氣動弘長(Mean Aerodynemic Chord,簡稱MAC)的重心改變會產(chǎn)生0.05%～0.125%的油耗變化。例如Q400飛機(jī)每1%MAC的重心改變會產(chǎn)生約0.04%的油耗變化[10]。飛機(jī)重量越輕，油耗變化影響越小。

飛行中應(yīng)盡量使用后重心或最優(yōu)重心以降低油耗。

1.3 APU和滑行

APU一般地面使用較多。不同機(jī)型APU油耗如表2所示。

表2 不同機(jī)型APU和滑行油耗[9-11]

滑行油耗率是巡航油耗率的25%～30%，意味著每多滑行4min等同于巡航1min，相當(dāng)于巡航13.9km(35 000ft，0.78M，ISA，無風(fēng))。據(jù)國航統(tǒng)計(jì)，2009年比2004年每架次出港滑行時間增加5.3min。雙發(fā)飛機(jī)單發(fā)滑行且APU運(yùn)行時，油耗可降低10%～15%，若APU不運(yùn)行則油耗可降低25%～30%。

為節(jié)省APU耗油，應(yīng)減少APU的工作時間，或使用地面電源車和氣源車代替APU的措施[5]。同時還應(yīng)該盡量晚地啟動發(fā)動機(jī)，較長距離直線滑行時少使用剎車，減少滑行時間，或者考慮單發(fā)滑行等。

1.4 其他

起飛時一般要求先加油門后松剎車，但實(shí)際起飛時由于國內(nèi)機(jī)場跑道長度較長，多數(shù)采用先松剎車并同時加油的方式起飛。這樣會使得起飛場長變長，但會降低油耗。

1%的阻力增加有可能帶來0.7%～1.0%的航程油耗增加。因此可采取保持飛機(jī)表面光潔等措施來減小飛機(jī)阻力，從而降低油耗。

2 經(jīng)濟(jì)飛行

2.1 起飛和爬升

起飛時，盡量采用小襟翼起飛，盡早收起襟翼，進(jìn)而減小阻力，使飛機(jī)擁有更好的爬升性能，減少低高度飛行時間，從而降低油耗。另外，還可采用改進(jìn)爬升等方式，相同梯度所需推力減少，使得油耗降低。假設(shè)溫度起飛、減推力起飛等有利于降低發(fā)動機(jī)維護(hù)成本，但卻導(dǎo)致油耗增加，需權(quán)衡使用。

航路爬升雖然是從起飛飛行航跡終點(diǎn)(距地面1500ft處)開始，但為了計(jì)算和使用方便起見，使用手冊中都是從起飛離地開始計(jì)算。圖1所示為一個典型的爬升剖面，可分為6個階段。

A段：從起飛離地爬升到1 500ft；

B段：從1 500ft爬升到10 000ft；

C段：在10 000ft高度平飛加速到爬升速度；

D段：按給定的表速和馬赫數(shù)爬升到爬升頂點(diǎn)；

E段：在初始巡航高度加速到巡航速度；

F段：巡航到爬升終點(diǎn)。

為了確定最佳爬升速度，需按圖1所示的典型爬升剖面，對給定的飛機(jī)起飛重量、初始巡航高度和速度、大氣溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等條件，選幾種不同的爬升速度，分別計(jì)算出從起飛離地開始至爬升到爬升終點(diǎn)的爬升性能。比較不同爬升速度時的燃油消耗量，其中燃油消耗最少的爬升速度即為該計(jì)算條件下的最佳爬升速度。

圖1 典型爬升剖面

2.2 下降和著陸

與分析爬升性能計(jì)算相同，按照典型下降剖面進(jìn)行下降性能計(jì)算(見圖2)可以得到與爬升類似的下降規(guī)律，即從巡航結(jié)束的下降起點(diǎn)到下降著陸為止的下降過程中，燃油最省的下降速度僅僅是著陸重量的函數(shù)。其他因素，例如最后巡航高度馬赫數(shù)、環(huán)境溫度等對下降的影響很小，通常可以不用考慮。典型剖面如下所示。

A段：巡航到下降起點(diǎn)開始下降；

B段：從下降起點(diǎn)下降到10 000ft；

C段：10 000ft高度巡航并減速到250n mile/h；

D段：進(jìn)近著陸階段。

圖2 典型下降剖面

在完成下降后，需要迅速進(jìn)入進(jìn)近著陸。在消耗相同燃油的情況下，飛機(jī)在高空飛過的距離比在低空能飛過的距離要大，所以要選擇好下降點(diǎn)，不要太早下降。飛機(jī)過早下降會在低空中消耗更多燃油，表3為幾種機(jī)型提早1min下降，額外增加的燃油消耗量。

表3 提早1min下降額外的燃油消耗量

使用低速下降方式，下降段水平距離較長，節(jié)省燃油；而使用高速下降，則下降時間較短，水平距離也短，耗油比較多。

低速的下降方式比較省油，正常下降用低速下降方式。但由于空中交通管制或其他原因，當(dāng)飛機(jī)被允許下降時，如果距機(jī)場距離較短就要使用高速下降。高速下降時需要使用減速板，高速下降不僅耗油多，而且還因?yàn)橄陆禃r間短，不能從容地進(jìn)入進(jìn)近狀態(tài)，也不利于建立穩(wěn)定的進(jìn)近和著陸飛行狀態(tài)。高速下降主要應(yīng)用于特殊的情況，也稱應(yīng)急下降，對于高速下降的下降率有一定要求，如FAA要求能在4min內(nèi)從42 000ft下降到14 000ft。高速下降時飛機(jī)以最大允許使用速度下降。

進(jìn)近時，晚放襟翼和起落架可以減小阻力，降低油耗。著陸時，少使用反推可以降低油耗。

2.3 巡航

經(jīng)濟(jì)飛行是用使成本(或油耗)最低的速度飛行[12]。

(1) 速度

巡航分為幾種類型，在實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)不同情況可采用不同的巡航方式。

第一種為飛行高度保持不變的遠(yuǎn)程巡航(LRC)方式。

第二種為馬赫數(shù)和飛行高度固定不變的巡航方式。

第三種為經(jīng)濟(jì)巡航即成本指數(shù)巡航，巡航速度和高度都產(chǎn)生變化。

最省油的方式是LRC巡航，最經(jīng)濟(jì)的方式是經(jīng)濟(jì)巡航。

(2) 高度

在一定的巡航方式下，使目標(biāo)值最優(yōu)的巡航高度即為最佳高度，也即對于給定的條件，在此高度上巡航，可以使單位航程最大。

最理想的巡航高度是隨燃油消耗，飛機(jī)重量減輕而改變巡航高度，階梯巡航高度選擇原則是使巡航高度盡可能地接近最佳高度，按飛機(jī)高度層間隔規(guī)定，所選巡航高度層在最佳高度±2 000ft的范圍內(nèi)。偏離最佳高度越大，燃油里程損失越多。所以確定最佳高度是節(jié)油的重要的一部分。

以波音737飛機(jī)為例，高于最佳高度2 000ft，航程燃油消耗增加2%；低于最佳高度2 000ft，航程燃油消耗增加1%；低于最佳高度4 000ft，航程燃油消耗增加4%；低于最佳高度8 000ft，航程燃油消耗增加9%[9]。

通過上述數(shù)據(jù)可以看出，偏離最佳高度對飛行耗油的影響很大，在實(shí)際運(yùn)行中盡量不要偏離最佳高度過多。在選擇巡航高度時既要考慮經(jīng)濟(jì)性同時也要考慮其他幾個因素：不能超過發(fā)動機(jī)推力限制和機(jī)動能力限制；考慮航程的影響，航程較短的飛行可能會受到爬升或者下降距離的限制；還應(yīng)滿足空管對飛行高度層的限制。

(3) 風(fēng)

在有風(fēng)的情況下，為了保持大的燃油里程，需要改變無風(fēng)情況下確定的巡航速度或高度。在選擇最佳高度時也要考慮保本風(fēng)的問題，在最佳高度上風(fēng)速不是保本風(fēng)速就要考慮爬升或下降到某個風(fēng)速接近保本風(fēng)速的高度上，這樣就可以增大燃油里程達(dá)到節(jié)油的目的。

但一般為簡化計(jì)算，手冊中保本風(fēng)計(jì)算不考慮航路爬升和下降所產(chǎn)生的油耗。

(4) 其他

選擇更直的航路，如國內(nèi)申請臨時航線、國際航線采取ETOPS、未來采用PBN航線等優(yōu)化航路，可有效降低油耗。

還可以充分利用燃油差價、燃油密度等進(jìn)行回程油分析，提升經(jīng)濟(jì)性，但對降低油耗沒有幫助。

3 飛行計(jì)劃

3.1 節(jié)油控制點(diǎn)

飛行中的節(jié)油具體可控環(huán)節(jié)如圖3所示，四川航空也采用類似的措施，如圖4所示。不難看出基于性能分析的節(jié)油策略中最重要的在于飛行計(jì)劃的合理制定和執(zhí)行。

圖3 飛行中的具體環(huán)節(jié)和可控點(diǎn)

節(jié)油不僅是飛機(jī)制造商在飛機(jī)設(shè)計(jì)時要考慮的因素，也是航空公司運(yùn)營的策略，應(yīng)等同看待，如同駕駛習(xí)慣是影響安全和油耗的最主要因素一樣。飛機(jī)制造商的設(shè)計(jì)應(yīng)在提供低油耗性能的同時也提供節(jié)油策略實(shí)施的便利條件。飛機(jī)是否具備讓航空公司實(shí)施節(jié)油措施的功能也是其價值點(diǎn)。例如速度是否多選、重心是否便于可調(diào)、襟翼位置是否更多、油箱容量等。

圖4 川航節(jié)油控制點(diǎn)[13]

3.2 優(yōu)化案例

對Q400飛機(jī)500nm典型航段(ISA，無風(fēng)，100nm備降+45min等待)進(jìn)行優(yōu)化對比，結(jié)果如表4所示，最優(yōu)情況下油耗優(yōu)化效果非常顯著。

再以浦東至成都航線85%年概率氣象條件為例進(jìn)行多機(jī)型航線優(yōu)化飛行計(jì)劃計(jì)算，參考上述節(jié)油措施，主要優(yōu)化項(xiàng)目如表5所示，優(yōu)化結(jié)果如表6所示，可帶來5%以上的油耗降低。

有關(guān)部門的研究結(jié)果表明，如果中國民航能系統(tǒng)地采取節(jié)油措施，有可能使航油消耗總量在現(xiàn)有基礎(chǔ)上降低2%～5%。航油消耗每降低一個百分點(diǎn)，中國民航每年可節(jié)約10萬噸航油，約合5億元人民幣。一般來說，合理優(yōu)化并有力執(zhí)行的飛行計(jì)劃，能實(shí)現(xiàn)2%～8%的燃油節(jié)省。飛機(jī)制造商不換發(fā)的優(yōu)化設(shè)計(jì)一般只能達(dá)到如此量級，新飛機(jī)設(shè)計(jì)雖然可以達(dá)到10%以上油耗降低，但是卻需要6～8年的研制周期。如此看來，合理的飛行計(jì)劃優(yōu)化和執(zhí)行是一個性價比極高的選擇。例如，春秋航空研發(fā)計(jì)算機(jī)飛行計(jì)劃軟件耗資約180萬，使用計(jì)算機(jī)飛行計(jì)劃軟件，每架飛機(jī)每天可節(jié)省航油50kg，一年21架飛機(jī)供節(jié)油383t(395t標(biāo)準(zhǔn)油)。南方航空公司也一直致力于自主開發(fā)IT系統(tǒng)，效果顯著。

表4 Q400飛機(jī)500nm航段飛行計(jì)劃優(yōu)化對比

表5 ZSPD-ZUUU航線優(yōu)化措施

表6 不同機(jī)型飛行計(jì)劃優(yōu)化結(jié)果

3.3 方法對比

目前飛行計(jì)劃制定有兩種方法：第一，商用飛行計(jì)劃軟件供應(yīng)商所采用的，以飛機(jī)爬升、巡航、下降和等待等各階段積分和點(diǎn)性能數(shù)據(jù)，實(shí)際航路以及風(fēng)、溫等數(shù)據(jù)為輸入，基于分步積分的思想完成每個航班最大業(yè)載、油量和時間等數(shù)據(jù)計(jì)算，形成各航路點(diǎn)的詳細(xì)飛行計(jì)劃。第二，飛機(jī)制造商性能軟件所采用的，以質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動學(xué)方程的方式進(jìn)行性能計(jì)算，但沒有實(shí)際航路以及風(fēng)、溫等數(shù)據(jù)接口鏈接。

采用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一剖面下對兩款機(jī)型的兩種飛行計(jì)劃計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，如表7所示。分步積分與運(yùn)動學(xué)方程雖然差異不大，但仍存在一定差異。但由于第二種方法制造商沒有結(jié)合航空公司實(shí)際運(yùn)營需求，即沒有與航路、風(fēng)、溫度等數(shù)據(jù)有效鏈接，以及沒有與航空公司運(yùn)控及其他系統(tǒng)合理銜接，因此實(shí)際應(yīng)用不廣泛。

表7 飛行計(jì)劃方法對比

互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時代，飛機(jī)制造商基于了解飛機(jī)產(chǎn)品的先天優(yōu)勢，切實(shí)從航空公司運(yùn)營角度提出綜合IT解決方案將成為飛機(jī)的新賣點(diǎn)。

飛機(jī)制造商可提供更符合運(yùn)營要求的飛行計(jì)劃系統(tǒng)、QAR數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)更好的交連。實(shí)時監(jiān)控每架飛機(jī)的性能，完成對每個飛機(jī)的獨(dú)立飛行計(jì)劃，同時兼顧航路、風(fēng)和操作等因素，在保證飛行安全的前提下減少不必要的額外油耗。例如，LRC、MRC以及經(jīng)濟(jì)巡航考慮風(fēng)速修正，多飛行剖面精確計(jì)算等。

4 結(jié)論

在飛行各個階段的節(jié)油策略各不相同，航空公司宜分別對待。航空公司節(jié)油措施得力所帶來的效果不亞于飛機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，作為飛機(jī)制造商應(yīng)為航空公司節(jié)油提供便利，提供相關(guān)功能、設(shè)備和工具支持。從基于性能的節(jié)油策略出發(fā)，制造商為航空公司提供QAR性能數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控、飛行計(jì)劃工具的整體IT解決方案，合理優(yōu)化和完善飛行性能，將是一個性價比極高的選擇。

[1] 中國民航大學(xué).飛機(jī)節(jié)油策略研究報(bào)告[R]. 天津：中國民航大學(xué)，2015.

[2] 李宜.航空節(jié)油飛行策略研究及分析軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)[D].成都：電子科技大學(xué). 2010.

[3] 奧凱航空公司節(jié)能減排工作經(jīng)驗(yàn)[R].空運(yùn)商務(wù),2011,02.

[4] 春秋航空公司節(jié)能減排工作經(jīng)驗(yàn)[R].空運(yùn)商務(wù),2011,02.

[5] 山東航空股份公司節(jié)能減排工作經(jīng)驗(yàn)[R].空運(yùn)商務(wù),2011,02.

[6] 中國東方航空公司節(jié)能減排工作經(jīng)驗(yàn)[R].空運(yùn)商務(wù),2011,02.

[7] 中國國際航空股份公司節(jié)能減排工作經(jīng)驗(yàn)[R].空運(yùn)商務(wù),2011,02.

[8] 中國南方航空股份公司節(jié)油工作經(jīng)驗(yàn)[R].空運(yùn)商務(wù),2011,02.

[9] 波音.性能培訓(xùn)資料[Z].波音公司,2014.

[10] 龐巴迪. Q400下一代飛機(jī)節(jié)油手冊[R].2005.

[11] 空客.性能培訓(xùn)資料[Z].空客公司,2008.

[12] 中國民航大學(xué). 經(jīng)濟(jì)飛行研究報(bào)告[R].天津：中國民航大學(xué)，2015.

[13] 赴令.四川航空節(jié)油系統(tǒng)策略研究及應(yīng)用[D].重慶:重慶大學(xué),2007.

Research on Civil Aircraft Fuel Saving Strategy

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute，Shanghai 201210，China)

Fuel saving is a very important and long-term action for airlines. Based on aircraft performance analysis, this paper presents fuel saving suggestions on weight, center of gravity and APU usage and taxiing before flight, and also presents economy flight fuel saving strategy suggestions on take-off, climb, cruise, descent, approach and landing phase. By the research of fuel saving measures in each detailed aspect of a flight circle, the paper suggests the method of well using flight planning tool to improve fuel consuming efficiency, with a case study and the comparison of different flight planning methods, and educes the conclusion that the integration IT solutions including flight planning and QAR(Quick Access Recorder) analysis systems from civil aircraft manufacture is a high performance-price ratio choice for airlines’ fuel saving.

civil aircraft; fuel saving; flight plan; economy flight

F407.5

A