民機(jī)運(yùn)行效能評價(jià)指標(biāo)體系研究

桂 荔，陳紅英，林蘭之

（中國民用航空飛行學(xué)院飛行技術(shù)學(xué)院，四川 德陽618000）

近年來，中國民航業(yè)蓬勃發(fā)展，機(jī)場運(yùn)行規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，至2019年，十年來全國機(jī)場年旅客吞吐量和貨郵吞吐量分別增長207%和90%，機(jī)場數(shù)量和航班起降量的大幅度增加，對民航業(yè)的運(yùn)行效能提出了高要求。國內(nèi)外學(xué)者研究了民航業(yè)不同領(lǐng)域運(yùn)行效能的評估方法，如終端區(qū)空管運(yùn)行效能[1]、航班過站地面保障運(yùn)行效能[2]、機(jī)場安全運(yùn)行保障能力[3]等，但是專門就航空器運(yùn)行效能開展的系統(tǒng)性研究較少，且體系內(nèi)指標(biāo)覆蓋面也相對狹窄。

飛機(jī)運(yùn)行效能是指飛機(jī)在航線運(yùn)行中表現(xiàn)出的綜合運(yùn)行能力。運(yùn)行效能偏低的機(jī)型，雖然能滿足一般條件的運(yùn)行要求，但是航空公司放行率、航線覆蓋能力、航班正常率等均會(huì)受到影響，導(dǎo)致商載偏低、飛機(jī)油耗較高等問題，同時(shí)還增加了航空公司的運(yùn)行成本，降低了收益，對飛機(jī)的市場競爭力產(chǎn)生不利影響。有效評估飛機(jī)的運(yùn)行能力，構(gòu)建合理的運(yùn)行效能評估體系，將有利于發(fā)現(xiàn)并補(bǔ)齊飛機(jī)運(yùn)行能力的短板，提出針對性的可實(shí)施建議，持續(xù)改進(jìn)其運(yùn)行效能，提升市場競爭力。

1 民機(jī)運(yùn)行效能影響因素分析

飛機(jī)運(yùn)行效能受多個(gè)因素影響，安全是一切評價(jià)體系構(gòu)建的基石。在保證安全性的前提下，運(yùn)行效能更應(yīng)側(cè)重在經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性和性能裕度等方面。

1.1 經(jīng)濟(jì)性

民用飛機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性是決定其能否在激烈的市場競爭中存活的首要影響因素，飛機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性的評價(jià)是對其經(jīng)濟(jì)效率的綜合評估，經(jīng)濟(jì)效率是指成本輸入和收益產(chǎn)出之間的對比關(guān)系。航空公司的運(yùn)營成本包括直接運(yùn)營成本和間接運(yùn)營成本，其中與飛機(jī)本身運(yùn)營直接相關(guān)的是直接運(yùn)營成本DOC（Direct Operating Cost），因此分析飛機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性時(shí)的成本部分主要考慮直接運(yùn)營成本。直接運(yùn)營成本是指使用一架飛機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的費(fèi)用，所含范圍較廣，國內(nèi)、歐洲和美國DOC的分類及計(jì)算方法存在差別[4]。運(yùn)行收益主要來自運(yùn)輸旅客和貨物帶來的收益以及運(yùn)輸逾重行李的收入[5]。

1.2 適應(yīng)性

飛機(jī)實(shí)際運(yùn)行受外部環(huán)境影響，不同機(jī)型的運(yùn)行環(huán)境適應(yīng)性有差異，通常航空公司對標(biāo)目標(biāo)市場，對飛機(jī)適應(yīng)能力有不同的要求。飛機(jī)的適應(yīng)性主要體現(xiàn)在對機(jī)場起降環(huán)境和航線的適應(yīng)性，這些與安全性和經(jīng)濟(jì)性相關(guān)聯(lián)，是航空公司實(shí)際運(yùn)營中關(guān)心的競爭因素。

1.2.1 機(jī)場運(yùn)行適應(yīng)性

飛機(jī)在起降過程中受到多種因素影響，如機(jī)場標(biāo)高、機(jī)場外部氣溫、跑道長度、跑道坡度、道面情況及風(fēng)速風(fēng)向等。

風(fēng)速風(fēng)向發(fā)生變化飛機(jī)起飛滑跑距離和著陸滑跑距離會(huì)相應(yīng)改變，順風(fēng)時(shí)飛機(jī)所需滑跑距離增長，而逆風(fēng)下所需滑跑距離減小，從而進(jìn)一步影響飛機(jī)最大起飛質(zhì)量和起飛時(shí)的業(yè)載，因此在飛機(jī)的飛行手冊中明確限制了順逆風(fēng)風(fēng)量和側(cè)風(fēng)風(fēng)量的最大值。

氣壓高度和外部溫度影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能和飛機(jī)的氣動(dòng)性能，溫度過高或機(jī)場標(biāo)高增加，發(fā)動(dòng)機(jī)的可用推力減小。此外，高溫容易增加飛機(jī)系統(tǒng)的故障率，低溫則容易導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)方面能力下降，也增加了系統(tǒng)啟動(dòng)的難度。飛機(jī)環(huán)境包線則給出了飛機(jī)運(yùn)行的高度和溫度限制范圍，可以反映飛機(jī)對外界環(huán)境的適應(yīng)性。特別是在高原機(jī)場運(yùn)行時(shí)，高原機(jī)場海拔高，空氣密度小、外部溫度相對較低，必須檢查是否滿足環(huán)境包線的限制要求。

在濕跑道和污染跑道上起飛和著陸，飛機(jī)沖出跑道的危險(xiǎn)性大大增加，通過研究濕跑道飛機(jī)著陸輪胎、水膜和道面的相互作用，發(fā)現(xiàn)水膜厚度、行駛速度和輪胎溝槽厚度是影響動(dòng)水壓強(qiáng)的主要因素[6]。道面污染物比如常見的融雪，使輪胎與地面的摩擦系數(shù)顯著減小，同時(shí)還會(huì)與飛機(jī)相互作用發(fā)生噴濺，影響起飛著陸性能，甚至損壞飛機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)裝置，而影響其作用效果的因素復(fù)雜，諸如跑道道面狀況、飛機(jī)輪胎特性、風(fēng)向風(fēng)速、飛機(jī)重心位置和發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型等。

不同飛機(jī)的噪聲水平存在差異，飛機(jī)作為機(jī)場噪聲的主要來源，在執(zhí)行飛行任務(wù)和地面維護(hù)測試過程中均會(huì)產(chǎn)生噪聲，尤其是運(yùn)動(dòng)中的飛機(jī)，在離場、進(jìn)場和進(jìn)近階段噪聲影響顯著。

1.2.2 航線適應(yīng)性

航線適應(yīng)性考慮高原航線的適應(yīng)性和航線航程適應(yīng)性。現(xiàn)代商業(yè)運(yùn)輸機(jī)性能普遍優(yōu)越，能夠適應(yīng)大多數(shù)復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境，但在特殊環(huán)境運(yùn)行時(shí)性能存在一定程度的差異。在執(zhí)行高原航線時(shí)航路地形復(fù)雜、航路安全高度高，一旦出現(xiàn)客艙釋壓后所需供氧時(shí)間長，對飛機(jī)的供氧能力提出了高要求，因此飛機(jī)的供氧能力是航線適應(yīng)性的一個(gè)體現(xiàn)，在航路任意一點(diǎn)發(fā)生座艙釋壓后，飛機(jī)的供氧量要能滿足法規(guī)要求。

航線航程適應(yīng)性即飛機(jī)的延程能力，主要體現(xiàn)在長航程航行中。隨著人民生活水平的提高，洲際航行快速發(fā)展，洲際航線大部分需要跨洋飛行，可供備降場較少，飛機(jī)在執(zhí)行遠(yuǎn)航程航班任務(wù)時(shí)航程適應(yīng)性的重要性日益增加。FAA提出的延程飛行（ETOPS），可實(shí)現(xiàn)跨洋直飛，具有延程飛行能力的飛機(jī)意味著具有更高的經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性。

1.3 性能裕度

在性能裕度方面，主要考慮一發(fā)失效能力，包括起飛一發(fā)失效的爬升能力和航路一發(fā)失效的飄降能力。隨著航空科技發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性提高，空中停車率大幅下降，但發(fā)動(dòng)機(jī)失效仍然偶有發(fā)生。起飛一發(fā)失效時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力減小、飛機(jī)阻力和發(fā)動(dòng)機(jī)阻力增大導(dǎo)致爬升梯度減小。

執(zhí)行復(fù)雜航線如高原山區(qū)航線飛行任務(wù)的飛機(jī)，在航路巡航中一臺發(fā)動(dòng)機(jī)失效后，在飄降階段地形及障礙物會(huì)對其飛行安全構(gòu)成威脅，因此，必須進(jìn)行飛機(jī)飄降性能分析。

2 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

民機(jī)運(yùn)行效能評估體系通過加權(quán)綜合民機(jī)各運(yùn)行效能指標(biāo)參數(shù)，形成一個(gè)統(tǒng)一的民機(jī)運(yùn)行效能系統(tǒng)，更直觀和更便利地表述和對比飛機(jī)的運(yùn)行效能。首先是構(gòu)建民用飛機(jī)運(yùn)行效能指標(biāo)體系，主要從經(jīng)濟(jì)性，適應(yīng)性，性能裕度這三方面來構(gòu)建民用飛機(jī)運(yùn)行效能指標(biāo)體系，具體如圖1所示。

圖1 民機(jī)運(yùn)行效能評估體系

2.1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

2.1.1 直接運(yùn)營成本

考慮飛機(jī)實(shí)際運(yùn)營環(huán)境，在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算某一機(jī)型的DOC大小。直接運(yùn)營成本由兩大類成本即所有權(quán)成本和現(xiàn)金成本組成。所有權(quán)成本發(fā)生在飛機(jī)的購買階段，包含折舊費(fèi)、利息和保險(xiǎn)費(fèi)。評估飛機(jī)運(yùn)行效能時(shí)現(xiàn)金成本主要考慮占比較大的燃油費(fèi)用和維修費(fèi)用。利用現(xiàn)有DOC計(jì)算模型得出一定海里數(shù)下各項(xiàng)費(fèi)用的輪檔小時(shí)成本。

2.1.2 航線運(yùn)輸總收入

航線運(yùn)輸總收入如下式所示[5]：

式（1）中：DOR為航線運(yùn)輸總收入；RP為運(yùn)輸旅客收入；RFM為運(yùn)輸貨郵收入；RB為運(yùn)輸逾重行李收入。

2.2 適應(yīng)性指標(biāo)

2.2.1 最大起降高度、最高大氣溫度和標(biāo)高對業(yè)載的影響率

利用飛行高度和環(huán)境溫度包線可確定飛機(jī)起降的高度范圍和溫度范圍，最大起降高度和最高大氣溫度指標(biāo)反映起飛和著陸過程中不同機(jī)型受機(jī)場標(biāo)高和溫度的影響。此外，不同氣溫和標(biāo)高下，飛機(jī)的最大起飛質(zhì)量發(fā)生改變，可通過標(biāo)高對業(yè)載的影響率衡量影響程度的大小[7]。

2.2.2 濕跑道和污染跑道著陸距離增加百分比

在相同情況下比較同等質(zhì)量飛機(jī)在干跑道上和在濕跑道及污染跑道著陸距離和著陸滑跑距離的差距，計(jì)算濕跑道和污染跑道著陸距離增加百分比。

2.2.3 最大載重時(shí)ACN值

飛機(jī)的ACN（Aircraft Classification Number）值的大小表示飛機(jī)對具有規(guī)定土基強(qiáng)度的道面相對影響的數(shù)值。

2.2.4 起飛風(fēng)速限制和著陸風(fēng)速限制

飛行手冊中規(guī)定的起飛和著陸時(shí)順風(fēng)、逆風(fēng)和側(cè)風(fēng)風(fēng)量限制體現(xiàn)飛機(jī)在有風(fēng)條件下飛機(jī)的適應(yīng)性。

2.2.5 單事件噪聲評價(jià)指標(biāo)

單事件噪聲評價(jià)指標(biāo)用來衡量單次飛行事件時(shí)飛機(jī)噪聲對地面影響，可分為兩類，國際上常用的包括基于響度的聲暴露級（SEL）、A聲級（LA）、最大A聲級（LAmax）以及基于噪度的最大感覺噪聲級（PNLmax）、有效感覺噪聲級（EPNL）。選用統(tǒng)一的單事件噪聲評價(jià)指標(biāo)，比較不同機(jī)型一定距離范圍內(nèi)噪聲等值線分布。

2.2.6 供氧能力

飛機(jī)應(yīng)急下降時(shí)供氧主要受旅客供氧限制，尤其對于航路安全高度較高的航線，因無法下降到較低高度，需在滿足越障要求的較高高度飛行至目的機(jī)場或者備降場，所需供氧時(shí)間長。依據(jù)具體機(jī)型的氧氣系統(tǒng)和應(yīng)急下降程序分析座艙失壓下飛機(jī)在多個(gè)高度的供氧時(shí)間，由此判斷飛機(jī)高原航路適應(yīng)性。

2.2.7 ETOPS最大改航時(shí)間

發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性增加，在航線任意一點(diǎn)上飛機(jī)單發(fā)飛往備降場的限制時(shí)間逐漸延長，目前飛機(jī)申請的ETOPS最大改航時(shí)間主要有75 min、120 min和180 min及以上，ETOPS最大改航時(shí)間越長表明飛機(jī)與最近備降機(jī)場的距離可以更遠(yuǎn)，可用備降場數(shù)量增加，進(jìn)一步拓展了飛機(jī)的運(yùn)行范圍，因此機(jī)型跨洋航線適應(yīng)性更強(qiáng)。

2.3 性能裕度

2.3.1 一發(fā)失效爬升梯度

爬升梯度等于爬升高度和對應(yīng)水平距離的比值，爬升梯度的大小體現(xiàn)了飛機(jī)的越障能力。為確保安全性，中國民航適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25部規(guī)定了飛機(jī)在關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)失效后起飛航跡各個(gè)階段的爬升梯度要求。可由發(fā)動(dòng)機(jī)推力、飛機(jī)質(zhì)量、升阻比和加速因子計(jì)算得出單發(fā)失效后飛機(jī)的爬升梯度[8]。

2.3.2 一發(fā)失效飄降能力

飛機(jī)在航路巡航飛行時(shí)，一臺發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)失效時(shí)，為了維持合適的巡航速度需下降到一個(gè)較低的高度飛行，能夠改平飛行的最大高度即為飄降升限，且要保證能夠安全越障，分析飛機(jī)以有利速度飄降時(shí)的飄降升限，飄降升限越高，越障越安全，航線適應(yīng)性也就越好。

3 結(jié)束語

建立科學(xué)、全面的飛機(jī)運(yùn)行能力評價(jià)體系是準(zhǔn)確評估飛機(jī)運(yùn)行效能的前提。飛機(jī)的運(yùn)行效能受多個(gè)因素影響，不同因素間存在關(guān)聯(lián)。通過理清飛機(jī)性能的影響因素，總結(jié)出能夠反映飛機(jī)運(yùn)行效能的指標(biāo)，建立了飛機(jī)運(yùn)行效能評價(jià)指標(biāo)體系，為下一步飛機(jī)運(yùn)行效能評估方法的深入研究打好基礎(chǔ)。