民機運行效能評價指標體系研究

桂 荔，陳紅英，林蘭之

（中國民用航空飛行學院飛行技術學院，四川 德陽618000）

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

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

1 民機運行效能影響因素分析

飛機運行效能受多個因素影響，安全是一切評價體系構建的基石。在保證安全性的前提下，運行效能更應側重在經(jīng)濟性、適應性和性能裕度等方面。

1.1 經(jīng)濟性

民用飛機的使用經(jīng)濟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，飛機使用經(jīng)濟性的評價是對其經(jīng)濟效率的綜合評估，經(jīng)濟效率是指成本輸入和收益產出之間的對比關系。航空公司的運營成本包括直接運營成本和間接運營成本，其中與飛機本身運營直接相關的是直接運營成本DOC（Direct Operating Cost），因此分析飛機使用經(jīng)濟性時的成本部分主要考慮直接運營成本。直接運營成本是指使用一架飛機時所產生的費用，所含范圍較廣，國內、歐洲和美國DOC的分類及計算方法存在差別[4]。運行收益主要來自運輸旅客和貨物帶來的收益以及運輸逾重行李的收入[5]。

1.2 適應性

飛機實際運行受外部環(huán)境影響，不同機型的運行環(huán)境適應性有差異，通常航空公司對標目標市場，對飛機適應能力有不同的要求。飛機的適應性主要體現(xiàn)在對機場起降環(huán)境和航線的適應性，這些與安全性和經(jīng)濟性相關聯(lián)，是航空公司實際運營中關心的競爭因素。

1.2.1 機場運行適應性

飛機在起降過程中受到多種因素影響，如機場標高、機場外部氣溫、跑道長度、跑道坡度、道面情況及風速風向等。

風速風向發(fā)生變化飛機起飛滑跑距離和著陸滑跑距離會相應改變，順風時飛機所需滑跑距離增長，而逆風下所需滑跑距離減小，從而進一步影響飛機最大起飛質量和起飛時的業(yè)載，因此在飛機的飛行手冊中明確限制了順逆風風量和側風風量的最大值。

氣壓高度和外部溫度影響發(fā)動機性能和飛機的氣動性能，溫度過高或機場標高增加，發(fā)動機的可用推力減小。此外，高溫容易增加飛機系統(tǒng)的故障率，低溫則容易導致飛機結構方面能力下降，也增加了系統(tǒng)啟動的難度。飛機環(huán)境包線則給出了飛機運行的高度和溫度限制范圍，可以反映飛機對外界環(huán)境的適應性。特別是在高原機場運行時，高原機場海拔高，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，飛機沖出跑道的危險性大大增加，通過研究濕跑道飛機著陸輪胎、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水壓強的主要因素[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，同時還會與飛機相互作用發(fā)生噴濺，影響起飛著陸性能，甚至損壞飛機的機械結構和發(fā)動機裝置，而影響其作用效果的因素復雜，諸如跑道道面狀況、飛機輪胎特性、風向風速、飛機重心位置和發(fā)動機構型等。

不同飛機的噪聲水平存在差異，飛機作為機場噪聲的主要來源，在執(zhí)行飛行任務和地面維護測試過程中均會產生噪聲，尤其是運動中的飛機，在離場、進場和進近階段噪聲影響顯著。

1.2.2 航線適應性

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

航線航程適應性即飛機的延程能力，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，飛機在執(zhí)行遠航程航班任務時航程適應性的重要性日益增加。FAA提出的延程飛行（ETOPS），可實現(xiàn)跨洋直飛，具有延程飛行能力的飛機意味著具有更高的經(jīng)濟性、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)動機可靠性提高，空中停車率大幅下降，但發(fā)動機失效仍然偶有發(fā)生。起飛一發(fā)失效時，發(fā)動機推力減小、飛機阻力和發(fā)動機阻力增大導致爬升梯度減小。

執(zhí)行復雜航線如高原山區(qū)航線飛行任務的飛機，在航路巡航中一臺發(fā)動機失效后，在飄降階段地形及障礙物會對其飛行安全構成威脅，因此，必須進行飛機飄降性能分析。

2 評價指標體系構建

民機運行效能評估體系通過加權綜合民機各運行效能指標參數(shù)，形成一個統(tǒng)一的民機運行效能系統(tǒng)，更直觀和更便利地表述和對比飛機的運行效能。首先是構建民用飛機運行效能指標體系，主要從經(jīng)濟性，適應性，性能裕度這三方面來構建民用飛機運行效能指標體系，具體如圖1所示。

圖1 民機運行效能評估體系

2.1 經(jīng)濟性指標

2.1.1 直接運營成本

考慮飛機實際運營環(huán)境，在歷史數(shù)據(jù)的基礎上，計算某一機型的DOC大小。直接運營成本由兩大類成本即所有權成本和現(xiàn)金成本組成。所有權成本發(fā)生在飛機的購買階段，包含折舊費、利息和保險費。評估飛機運行效能時現(xiàn)金成本主要考慮占比較大的燃油費用和維修費用。利用現(xiàn)有DOC計算模型得出一定海里數(shù)下各項費用的輪檔小時成本。

2.1.2 航線運輸總收入

航線運輸總收入如下式所示[5]：

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

2.2 適應性指標

2.2.1 最大起降高度、最高大氣溫度和標高對業(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反映起飛和著陸過程中不同機型受機場標高和溫度的影響。此外，不同氣溫和標高下，飛機的最大起飛質量發(fā)生改變，可通過標高對業(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量飛機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ACN值

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

2.2.4 起飛風速限制和著陸風速限制

飛行手冊中規(guī)定的起飛和著陸時順風、逆風和側風風量限制體現(xiàn)飛機在有風條件下飛機的適應性。

2.2.5 單事件噪聲評價指標

單事件噪聲評價指標用來衡量單次飛行事件時飛機噪聲對地面影響，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指標，比較不同機型一定距離范圍內噪聲等值線分布。

2.2.6 供氧能力

飛機應急下降時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場或者備降場，所需供氧時間長。依據(jù)具體機型的氧氣系統(tǒng)和應急下降程序分析座艙失壓下飛機在多個高度的供氧時間，由此判斷飛機高原航路適應性。

2.2.7 ETOPS最大改航時間

發(fā)動機可靠性增加，在航線任意一點上飛機單發(fā)飛往備降場的限制時間逐漸延長，目前飛機申請的ETOPS最大改航時間主要有75 min、120 min和180 min及以上，ETOPS最大改航時間越長表明飛機與最近備降機場的距離可以更遠，可用備降場數(shù)量增加，進一步拓展了飛機的運行范圍，因此機型跨洋航線適應性更強。

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水平距離的比值，爬升梯度的大小體現(xiàn)了飛機的越障能力。為確保安全性，中國民航適航標準CCAR-25部規(guī)定了飛機在關鍵發(fā)動機失效后起飛航跡各個階段的爬升梯度要求。可由發(fā)動機推力、飛機質量、升阻比和加速因子計算得出單發(fā)失效后飛機的爬升梯度[8]。

2.3.2 一發(fā)失效飄降能力

飛機在航路巡航飛行時，一臺發(fā)動機出現(xiàn)失效時，為了維持合適的巡航速度需下降到一個較低的高度飛行，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，分析飛機以有利速度飄降時的飄降升限，飄降升限越高，越障越安全，航線適應性也就越好。

3 結束語

建立科學、全面的飛機運行能力評價體系是準確評估飛機運行效能的前提。飛機的運行效能受多個因素影響，不同因素間存在關聯(lián)。通過理清飛機性能的影響因素，總結出能夠反映飛機運行效能的指標，建立了飛機運行效能評價指標體系，為下一步飛機運行效能評估方法的深入研究打好基礎。