民機節油策略研究

張 偉 / Zhang Wei

(上海飛機設計研究院，上海201210)

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民機節油策略研究

張 偉 / Zhang Wei

(上海飛機設計研究院，上海201210)

節油是航空公司的長效措施，各航空公司均很重視。從飛行具體環節出發，基于性能研究民機節油策略，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、下降和進近著陸的經濟飛行節油策略分析和建議。通過對飛行具體環節節油策略的研究，提出重視飛行計劃優化和執行的思路，案例分析優化效果，對比分析現有飛行計劃方法，得出飛機制造商提供包含飛行計劃和QAR(Quick Access Recorder)分析系統等的整體IT解決方案，是提升節油效果的一個性價比很高的選擇的結論。

民用飛機；節油；飛行計劃；經濟飛行

0 引言

航空公司的燃油成本占運營成本35%左右，節油成為航空公司提高經濟效益和滿足環保要求的長期策略[1-2]。各航空公司雖然制定了一系列節油措施，效果顯著，但節油還有更多潛力可挖[3-8]，且相比飛機設計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油，并通過機型案例進行節油效果檢查，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零油重量對波音機型輪擋油耗的影響

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

飛行中應盡量降低重量，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，但需與機場和空管等部門協同才能效果更好。例如，加油液面不穩定會導致加油量不準確，多加油往往會使重量增加數百公斤，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。飛機起降性能數據基于前重心計算。

長航程寬體機，如波音747、A340等往往通過配平油箱轉換系統，轉移燃油位置而調整飛機的重心。據統計，每1%平均氣動弘長(Mean Aerodynemic Chord,簡稱MAC)的重心改變會產生0.05%～0.125%的油耗變化。例如Q400飛機每1%MAC的重心改變會產生約0.04%的油耗變化[10]。飛機重量越輕，油耗變化影響越小。

飛行中應盡量使用后重心或最優重心以降低油耗。

1.3 APU和滑行

APU一般地面使用較多。不同機型APU油耗如表2所示。

表2 不同機型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，相當于巡航13.9km(35 000ft，0.78M，ISA，無風)。據國航統計，2009年比2004年每架次出港滑行時間增加5.3min。雙發飛機單發滑行且APU運行時，油耗可降低10%～15%，若APU不運行則油耗可降低25%～30%。

為節省APU耗油，應減少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]。同時還應該盡量晚地啟動發動機，較長距離直線滑行時少使用剎車，減少滑行時間，或者考慮單發滑行等。

1.4 其他

起飛時一般要求先加油門后松剎車，但實際起飛時由于國內機場跑道長度較長，多數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表面光潔等措施來減小飛機阻力，從而降低油耗。

2 經濟飛行

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，進而減小阻力，使飛機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，還可采用改進爬升等方式，相同梯度所需推力減少，使得油耗降低。假設溫度起飛、減推力起飛等有利于降低發動機維護成本，但卻導致油耗增加，需權衡使用。

航路爬升雖然是從起飛飛行航跡終點(距地面1500ft處)開始，但為了計算和使用方便起見，使用手冊中都是從起飛離地開始計算。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爬升到爬升頂點；

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。

為了確定最佳爬升速度，需按圖1所示的典型爬升剖面，對給定的飛機起飛重量、初始巡航高度和速度、大氣溫度、風速、風向等條件，選幾種不同的爬升速度，分別計算出從起飛離地開始至爬升到爬升終點的爬升性能。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

與分析爬升性能計算相同，按照典型下降剖面進行下降性能計算(見圖2)可以得到與爬升類似的下降規律，即從巡航結束的下降起點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。其他因素，例如最后巡航高度馬赫數、環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：巡航到下降起點開始下降；

B段：從下降起點下降到10 000ft；

C段：10 000ft高度巡航并減速到250n mile/h；

D段：進近著陸階段。

圖2 典型下降剖面

在完成下降后，需要迅速進入進近著陸。在消耗相同燃油的情況下，飛機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，不要太早下降。飛機過早下降會在低空中消耗更多燃油，表3為幾種機型提早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，當飛機被允許下降時，如果距機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，而且還因為下降時間短，不能從容地進入進近狀態，也不利于建立穩定的進近和著陸飛行狀態。高速下降主要應用于特殊的情況，也稱應急下降，對于高速下降的下降率有一定要求，如FAA要求能在4min內從42 000ft下降到14 000ft。高速下降時飛機以最大允許使用速度下降。

進近時，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

經濟飛行是用使成本(或油耗)最低的速度飛行[12]。

(1) 速度

巡航分為幾種類型，在實際運行中根據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程巡航(LRC)方式。

第二種為馬赫數和飛行高度固定不變的巡航方式。

第三種為經濟巡航即成本指數巡航，巡航速度和高度都產生變化。

最省油的方式是LRC巡航，最經濟的方式是經濟巡航。

(2) 高度

在一定的巡航方式下，使目標值最優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，按飛機高度層間隔規定，所選巡航高度層在最佳高度±2 000ft的范圍內。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油的重要的一部分。

以波音737飛機為例，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]。

通過上述數據可以看出，偏離最佳高度對飛行耗油的影響很大，在實際運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濟性同時也要考慮其他幾個因素：不能超過發動機推力限制和機動能力限制；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；還應滿足空管對飛行高度層的限制。

(3) 風

在有風的情況下，為了保持大的燃油里程，需要改變無風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的問題，在最佳高度上風速不是保本風速就要考慮爬升或下降到某個風速接近保本風速的高度上，這樣就可以增大燃油里程達到節油的目的。

但一般為簡化計算，手冊中保本風計算不考慮航路爬升和下降所產生的油耗。

(4) 其他

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

還可以充分利用燃油差價、燃油密度等進行回程油分析，提升經濟性，但對降低油耗沒有幫助。

3 飛行計劃

3.1 節油控制點

飛行中的節油具體可控環節如圖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油策略中最重要的在于飛行計劃的合理制定和執行。

圖3 飛行中的具體環節和可控點

節油不僅是飛機制造商在飛機設計時要考慮的因素，也是航空公司運營的策略，應等同看待，如同駕駛習慣是影響安全和油耗的最主要因素一樣。飛機制造商的設計應在提供低油耗性能的同時也提供節油策略實施的便利條件。飛機是否具備讓航空公司實施節油措施的功能也是其價值點。例如速度是否多選、重心是否便于可調、襟翼位置是否更多、油箱容量等。

圖4 川航節油控制點[13]

3.2 優化案例

對Q400飛機500nm典型航段(ISA，無風，100nm備降+45min等待)進行優化對比，結果如表4所示，最優情況下油耗優化效果非常顯著。

再以浦東至成都航線85%年概率氣象條件為例進行多機型航線優化飛行計劃計算，參考上述節油措施，主要優化項目如表5所示，優化結果如表6所示，可帶來5%以上的油耗降低。

有關部門的研究結果表明，如果中國民航能系統地采取節油措施，有可能使航油消耗總量在現有基礎上降低2%～5%。航油消耗每降低一個百分點，中國民航每年可節約10萬噸航油，約合5億元人民幣。一般來說，合理優化并有力執行的飛行計劃，能實現2%～8%的燃油節省。飛機制造商不換發的優化設計一般只能達到如此量級，新飛機設計雖然可以達到10%以上油耗降低，但是卻需要6～8年的研制周期。如此看來，合理的飛行計劃優化和執行是一個性價比極高的選擇。例如，春秋航空研發計算機飛行計劃軟件耗資約180萬，使用計算機飛行計劃軟件，每架飛機每天可節省航油50kg，一年21架飛機供節油383t(395t標準油)。南方航空公司也一直致力于自主開發IT系統，效果顯著。

表4 Q400飛機500nm航段飛行計劃優化對比

表5 ZSPD-ZUUU航線優化措施

表6 不同機型飛行計劃優化結果

3.3 方法對比

目前飛行計劃制定有兩種方法：第一，商用飛行計劃軟件供應商所采用的，以飛機爬升、巡航、下降和等待等各階段積分和點性能數據，實際航路以及風、溫等數據為輸入，基于分步積分的思想完成每個航班最大業載、油量和時間等數據計算，形成各航路點的詳細飛行計劃。第二，飛機制造商性能軟件所采用的，以質點運動學方程的方式進行性能計算，但沒有實際航路以及風、溫等數據接口鏈接。

采用標準統一剖面下對兩款機型的兩種飛行計劃計算結果進行對比，如表7所示。分步積分與運動學方程雖然差異不大，但仍存在一定差異。但由于第二種方法制造商沒有結合航空公司實際運營需求，即沒有與航路、風、溫度等數據有效鏈接，以及沒有與航空公司運控及其他系統合理銜接，因此實際應用不廣泛。

表7 飛行計劃方法對比

互聯網、大數據時代，飛機制造商基于了解飛機產品的先天優勢，切實從航空公司運營角度提出綜合IT解決方案將成為飛機的新賣點。

飛機制造商可提供更符合運營要求的飛行計劃系統、QAR數據分析系統，并實現更好的交連。實時監控每架飛機的性能，完成對每個飛機的獨立飛行計劃，同時兼顧航路、風和操作等因素，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以及經濟巡航考慮風速修正，多飛行剖面精確計算等。

4 結論

在飛行各個階段的節油策略各不相同，航空公司宜分別對待。航空公司節油措施得力所帶來的效果不亞于飛機優化設計。因此，作為飛機制造商應為航空公司節油提供便利，提供相關功能、設備和工具支持。從基于性能的節油策略出發，制造商為航空公司提供QAR性能數據實時監控、飛行計劃工具的整體IT解決方案，合理優化和完善飛行性能，將是一個性價比極高的選擇。

[1] 中國民航大學.飛機節油策略研究報告[R]. 天津：中國民航大學，2015.

[2] 李宜.航空節油飛行策略研究及分析軟件的設計和開發[D].成都：電子科技大學. 2010.

[3] 奧凱航空公司節能減排工作經驗[R].空運商務,2011,02.

[4] 春秋航空公司節能減排工作經驗[R].空運商務,2011,02.

[5] 山東航空股份公司節能減排工作經驗[R].空運商務,2011,02.

[6] 中國東方航空公司節能減排工作經驗[R].空運商務,2011,02.

[7] 中國國際航空股份公司節能減排工作經驗[R].空運商務,2011,02.

[8] 中國南方航空股份公司節油工作經驗[R].空運商務,2011,02.

[9] 波音.性能培訓資料[Z].波音公司,2014.

[10] 龐巴迪. Q400下一代飛機節油手冊[R].2005.

[11] 空客.性能培訓資料[Z].空客公司,2008.

[12] 中國民航大學. 經濟飛行研究報告[R].天津：中國民航大學，2015.

[13] 赴令.四川航空節油系統策略研究及應用[D].重慶:重慶大學,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