民用飛機性能選型指標體系研究

魏一盛，褚雙磊*,2，張田沖，姜妍竹，朱浩亮，童 曦

（1. 中國民航大學空中交通管理學院，天津 300300；2. 天津市空管運行規劃與安全技術重點實驗室，天津 300300）

近年來，基于性能優劣度對飛機進行性能選型已成為民航業關注的焦點，航空公司飛機性能工程師的一項主要工作就是飛機性能選型，市場部確定可以盈利的航線后，飛機性能工程師進行飛機性能選型工作，飛機性能選型影響機型與航線的匹配問題。飛機性能選型直接影響航空公司的運營成本，其正確性和合理性在某種程度上決定了航空公司未來的機隊規模與市場戰略布局，因此開展飛行性能優劣度的性能選型工作是十分必要的，飛行性能優劣度是表征飛機整體性能的重要參數，基于飛機性能優劣度選型體系的完善，對飛機選型具有重要意義。

1 民用飛機性能優劣度選型參數分析

1.1 民用飛機發動機參數研究

李繼保[1]提出，發動機單位推力是民用發動機性能的重要表征參數，并且發動機單位推力受總增壓比、渦輪前總溫、涵道比的影響。分析得到，在總增壓比、渦輪前總溫不變時，涵道比與油耗率和單位推力成反比；在總增壓比、涵道比不變時，渦輪前總溫與單位推力成正比。

侯大為[2]指出，發動機耗油成本是發動機選擇時需要考慮的重要指標之一。耗油成本作為發動機成本的重要指標，其值越小指標越優。由單位里程油耗系數與飛機飛行里程相乘，再結合發動機油耗劣化曲線進行修正，得出服役期間的燃油消耗，其值在成本方面表征了發動機性能的優劣。

殷愛萍[3]認為，發動機推力是民用發動機選型時的重要飛行性能指標。分析了在起飛、降落過程中推力不同的情況下，飛機高度和空速的變化；提到在順風起飛時，達到起飛速度所需要的起飛距離增加，因此在順風起飛時，發動機推力性能將更具意義。

1.2 民用飛機航線適應性參數研究

謝春生[4]提出，航線性能主要體現在業載能力，航程能力和巡航高度三個指標上。業載能力為在航線距離相同條件下，裝載旅客和貨物的能力，業載能力越強，運輸的旅客和貨物越多。航程能力為一次不加油航行的最大距離的能力，航程能力越強，運輸的距離越長。巡航高度為飛機在巡航階段飛行的高度，巡航高度能力越強，適用的航線范圍越廣，經濟性也會得到大大改善。

孫瑜[5]指出，航線分析應主要分析飛機對航線的適應性，特別是高原航線、跨水航線等特殊航向的適應性，確定每條航線上各種機型飛機的一些技術指標并進行對比，即業載能力、航程能力、巡航速度。將可視化的仿真技術應用于飛行效能評估過程進行監控，為性能工程師提供直觀評估的環境。

馬超[6]等人提出，飛機的航程能力直接體現在最大起飛重量(Maximum Take-off Weight,MTOW)和燃油油箱最大容積，航程越短則最大起飛重量越輕。相同翼載荷和推重比條件下，起飛推力和機翼面積減小。機翼面積和起飛推力的減小會影響到飛機的巡航高度、單發凈升限、巡航速度。油箱容積越大，航程越遠。

鐘尉[7]提出，航線適應性的特殊運行能力可以分為極地、ETOPS、PBN、飄降性能、客艙失壓氧氣配備。其中，飛機的飄降性能和ETOPS能力是由發動機性能決定的，故在巡航階段若發生發動機故障，應考慮兩方面，分別為一發失效時飛機的航路限制，兩臺發動機同時不工作時飛機的航路限制（三發或三發以上飛機）。

1.3 民用飛機機場適應性參數研究

南京航空航天大學的鐘尉[7]提出機場對飛機性能的限制主要體現在跑道長度限制、跑道坡度限制、機場高度限制和機場道面限制。

閆克斌[8]指出機場適應性受到機場氣溫、氣壓、標高、風向、風速、跑道道面結構、跑道長度、道面的干濕程度、限制面的障礙物等多種因素的影響。在機場適應性的研究中，需考慮機場道面條件與飛機輪胎的適應性，爬升越障性能和跑道長度對預選機型及其起飛降落的影響。

陳治懷[9]提出飛機等級數ACN能否滿足機場道面等級PCN的要求、飛機在地面滑行時的轉彎機動性和最大起飛重量、最大著陸重量反映了跑道起降性能和道面條件，是與機場適應性相關的飛機性能選型指標。

1.4 民用飛機航線經濟性參數研究

航線經濟性直接關系到航空公司的運營成本。航空公司運營成本主要與燃油成本和機組小時成本有關。

韓曉玲[10]指出飛機經濟評估包括收入和成本兩方面，航線運輸成本和收入與運量有關，其中客公里收入和客公里成本是民用飛機營運經濟性的指標。客公里收入=運輸旅客收入/客公里，客公里收入與客座利用率有很大關系。客公里成本=航空公司成本/客公里，機型與每座成本有關系，小飛機的每座成本要高于大飛機的每座成本。

宋楊[11]指出經濟性是民機市場競爭性的核心指標之一。在同等座級和航程的情況下，飛機的直接運營成本越低，飛機使用經濟性就越好。航線運營成本中，與飛機設計指標緊密相關的為燃油成本和維修成本。

尹國棟[12]指出支線飛機選型經濟性的評估指標包括座公里成本、燃油成本、座公里收入。

表1 常見機型雙發小時耗油率（kg/h）

表1為常見機型雙發小時耗油率。盧大偉[13]指出航線經濟性主要體現在燃油經濟性上，燃油成本占航空公司運營成本的30%左右，新型飛機采用了更輕的材料，更節油的發動機，每座公里的燃油成本更低。

2 國內外民用飛機選型研究方法現狀

飛機選型方面存在著許多的選型方法。在現有的選型指標確定的情況下，如何根據各類指標科學的選擇所需要的機型，這是非常重要的。

在飛機選型方面演克武等[14]運用灰色層次分析法，對機型適應性的幾個相關參數進行了系統分析。首先其建立層次指標體系：技術性指標（機場適應性、航線性能等）、經濟性指標（直接、間接成本）。先運用層次分析法，得到相關上層元素的組合權重；再利用灰色評價法，對指標層、準則層進行綜合評價；最后按照最大原則確定受評對象的所屬等級數，同時求出綜合評價值，并參考灰類等級對受評對象系統進行評價。

南京航空航天大學的王筱利[15]提出：采用層次分析效用理論對飛機發動機選型方案進行評價。使用層次分析法確定指標權重；對不確定性指標利用模糊數學原理，進行隸屬度量化，得到指標效用矩陣。將評價指標分為成本型和效益型，分別對其進行規范處理。根據顧客對風險的態度不同，計算不同指標對應的效用值及對應總效用值，對各備選方案總效用值并進行排序，其值越大，方案越優。

葛瑞辰[16]提出：利用NSGAⅡ和灰色關聯TOPSIS分析法進行寬體客機系列化選項分析。使用NSGAⅡ以經濟性、飛機性能為指標，商載、航程為約束，對寬體客機進行匹配性分析，得出滿足顧客需求的非劣解。對所得非劣解用灰色關聯TOPSIS算法對備選方案進行排序，得出各方案的優劣性。

為了使航空旅行需求與其飛行能力盡可能緊密地結合在一起，航空公司需要對機隊規劃過程和航線網絡布局采取適當的方法。Slavica Do?i?,Milica Kali?[17]提出利用層次分析法(AHP)解決已知航路網絡的飛機選型問題，并對飛機出行需求進行預測。對標準不同的指標兩兩比較進行了選擇性評級的靈敏度分析。通過改變成對比較矩陣中的一個元素(同時保持其他元素不變)，從而監視飛機選型過程，從而實現可能的改進。

Sabaghia[18]提出通過DOE與TOPSIS相結合的方法，對多個參數進行考慮，得到飛機部件拆卸判別模型，并得出各部件的拆卸指標的研究方法。該方法利用龐巴迪區域噴氣飛機進行驗證，得出所建立拆卸模型的可靠性。同時提出該模型在設計階段的適用性，對拆卸部件進行壽命評估。這種研究方法同樣可以適用于飛機的選型評估。

褚雙磊[19]針對航空公司性能工程師的日常計算工作,設計并開發了一款飛機性能輔助計算軟件,實現性能工程師日常工作的快捷和簡便性計算,為性能選型提供幫助。并依據障礙物的遠近對起飛性能進行了障礙物安全評估[20]，在機場范圍內，民用飛機越障能力至關重要。

3 民用飛機飛行性能選型指標體系構建

3.1 性能選型指標體系

通過查詢和閱讀大量與飛機性能選型相關的文獻，收集了許多關于影響民用飛機選型的因素，將這些影響因素與航空公司的實際選型參考因素相結合，并進行科學性、相關性、整體性分析，同時結合民航專家的意見，最終成功構建初步的民用飛機飛行性能選型指標體系模型，見圖1所示。

圖1 民用飛機性能選型指標體系

民用飛機飛行性能優劣度是指在一定運行環境和運行限制條件下，民用飛機以最優異飛行性能工作的能力，是衡量民用飛機的飛行性能好壞的關鍵指標，它是決定民用飛機氣動效率、推進性能和機型適應性的重要物理量。

在機場適應性方面，民用飛機起降性能體現在機場運行的低速階段，主要與跑道的運行參數有關。良好的起降性能主要為所需跑道長度較短，對于機場跑道條件依賴性較小，可以在較弱的跑道污染物覆蓋下起降。

在航線適應性方面，業載和航程是民航飛機航線性能的兩個重要指標，航空公司希望飛機飛得越遠越好，可以通達城市越多，業載越大越好，客票收入越多，業載和航程是相互影響的兩個指標。ETOPS決定了機型的越洋飛行能力，特殊運行能力包括RVSM運行，極地運行，國際飛行，高原航線運行等。

在航線經濟性方面，主要是燃油成本和直接運營成本，燃油成本和直接運營成本低，航空公司盈利空間大，考慮旅客運輸量時，則涉及座公里成本和座公里耗油，座公里成本是指航空公司運送1個旅客飛行1公里帶來的成本。座公里耗油是指航空公司運送1個旅客飛行1公里所消耗的燃油。

在發動機匹配性方面，主要指發動機性能，飛機的推力大小決定爬升梯度，爬升梯度越大，飛機的越障性能越好，發動機推力越大，起飛距離變短，巡航速度增大。外界溫度增加超過平臺溫度時，發動機推力減少，導致爬升梯度減少。

隨著航空公司飛機引進和航線網絡布局工作的深入，飛機性能選型工作更加重要，迫切需要形成性能選型指標體系，對民用飛機性能選型進行評估，完善飛機性能選型工作。

3.2 利用層次分析法對指標進行權重計算

采用層次分析模型對飛機飛行性能進行選型評估。首先采用專家打分法確定評價指標體系，建立了三層次（目標層、準則層、指標層）的飛機飛行性能的層次分析模型。我們邀請幾位行業內的專家對所建立的指標體系進行重要性評價，得到了各層次的專家評價數據。使用AHP確定每個評價指標的權重，用兩兩比較法構造比較矩陣，再按重要程度構造判斷矩陣。根據判斷矩陣求出特征向量，歸一化作為權重值Wi，并對矩陣進行一致性檢驗。根據AHP計算準則層、指標層權重，并進行絕對權重排序，其結果如表2所示。

4 結論

本文構建了飛機性能選型的遞階層次結構模型，包含機場適應性、航線適應性、航線經濟型、發動機性能四個一級指標，若干個二級指標。

提出了基于層次分析法的飛機性能選型指標權重大小排序，得出對飛機性能選型影響較大的因素為發動機推重比、直接運行成本、座公里成本、小時耗油、單發推力5個因素。

隨著新型民用飛機機型的投入使用和新航行技術的發展，性能選型工作越來越復雜，民機新技術也將成為考慮重點，性能指標體系將不斷完善，更加貼近公司運行實際情況，更好地對性能選型進行綜合評估。

表2 飛機性能選型指標體系權重大小及排序