基于BCOP的飛行航跡預(yù)測及性能仿真分析

摘 要：飛機(jī)在終端區(qū)起飛、進(jìn)近著陸時(shí)，為了對飛行安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估，必須對飛機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)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(jìn)行計(jì)算，分析在不同起飛重量的條件下經(jīng)過BCOP計(jì)算后，對飛機(jī)航跡、發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)迎角等參數(shù)進(jìn)行處理，利用Matlab中對飛機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行仿真繪圖。

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

引言

航空器在飛行時(shí)，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(dòng)機(jī)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(hù)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(jìn)行仿真分析，對比分析不同起飛重量下飛機(jī)的性能參數(shù)。

1 計(jì)算公式

1.1 飛行動(dòng)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(dòng)機(jī)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(jī)質(zhì)心動(dòng)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(jìn)近程序計(jì)算飛機(jī)性能軟件，該軟件可以根據(jù)輸入的飛機(jī)機(jī)型、發(fā)動(dòng)機(jī)信息、機(jī)場跑道信息、機(jī)場的氣象信息、設(shè)定的垂直航路和水平航路，輸出飛機(jī)的幾何高度。

2 初始化設(shè)置

起飛機(jī)場：ZSQD，氣象，17號(hào)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(jìn)行多次計(jì)算，將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Matlab中進(jìn)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(jī)起飛重量的增加，飛機(jī)在既定航線飛行時(shí)，飛機(jī)在150000磅時(shí)，相較于其他兩個(gè)曲線，垂直爬升梯度更大，垂直爬升能力更強(qiáng)，飛機(jī)重量越大，爬升梯度和爬升能力越小。

同時(shí)，分析地面航跡時(shí)，隨著飛機(jī)起飛重量的增加，飛轉(zhuǎn)彎半徑與飛機(jī)重量趨勢呈正相關(guān)，飛機(jī)重量小，飛機(jī)在機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作時(shí)，水平機(jī)動(dòng)性更好，更加敏捷。同時(shí)意味著飛機(jī)機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎更快，油耗更低，經(jīng)濟(jì)性更加，增加了空域流量分析飛機(jī)空間曲線，可以看出，深黑色的曲線最先達(dá)到最高點(diǎn)，代表重量最輕的飛機(jī)，表明飛機(jī)重量輕，飛機(jī)的爬升能力強(qiáng)，相比其他兩組模擬仿真實(shí)驗(yàn)，飛機(jī)的航跡在對應(yīng)點(diǎn)出，最高。

4 飛機(jī)性能分析

飛機(jī)開始從跑道滑行到飛機(jī)起飛時(shí)，飛機(jī)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(jī)做了機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎，第二次轉(zhuǎn)彎時(shí)，飛機(jī)的推力下降更為顯著，并且持續(xù)時(shí)間更長，說明飛機(jī)的轉(zhuǎn)彎角度更大，耗時(shí)更長。隨后飛機(jī)的推力持續(xù)較小，飛機(jī)重量越小，維持其實(shí)現(xiàn)巡航飛行的推力也相應(yīng)的越小，并且可以看出，飛機(jī)重量輕，單發(fā)凈推力下降的坡度能更快的實(shí)現(xiàn)減推。（如圖3）

飛機(jī)在地面時(shí)，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(jī)起飛離地，升力系數(shù)急劇增加，雖有隨著飛機(jī)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(tái)階部分，是在飛機(jī)做機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎時(shí)導(dǎo)致的，最后達(dá)到一定高度后，飛機(jī)的處于巡航狀態(tài)，升力重力平衡，升力系數(shù)達(dá)到一個(gè)最小值后基本保持平穩(wěn)。通過分析三個(gè)曲線，分析N1圖表可以看出，隨著飛機(jī)起飛重量的增加，飛機(jī)在既定航線飛行時(shí)，飛機(jī)在150000磅時(shí)，相較于其他兩個(gè)曲線，能夠更早到達(dá)最大N1轉(zhuǎn)速，意味著飛機(jī)越輕，其加速性能越好。轉(zhuǎn)彎半徑與飛機(jī)重量趨勢呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，飛機(jī)重量小，意味著飛機(jī)在機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎時(shí)越容易，水平機(jī)動(dòng)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(dòng)的區(qū)域，是由于飛機(jī)轉(zhuǎn)彎機(jī)動(dòng)時(shí)推力減小，兩次轉(zhuǎn)彎不斷進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，其中第二次推力變化相對比較大。飛機(jī)重量輕，意味著飛機(jī)在轉(zhuǎn)彎時(shí)所需要的最小推力更小，圖5中，深黑色線就是150000磅時(shí)的曲線，最低點(diǎn)數(shù)值最小。

5 結(jié)束語

通過BCOP的仿真分析，可以看出，飛機(jī)的起飛重量對飛機(jī)的飛行航跡、機(jī)動(dòng)能力有明顯的影響，飛機(jī)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(jìn)行預(yù)測分析，飛機(jī)起飛重量越輕，其在各個(gè)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(jī)的業(yè)載，能夠明顯提高運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

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