魏一盛,褚双磊*,2,张田冲,姜妍竹,朱浩亮,童 曦
(1. 中国民航大学空中交通管理学院,天津 300300;2. 天津市空管运行规划与安全技术重点实验室,天津 300300)
近年来,基于性能优劣度对飞机进行性能选型已成为民航业关注的焦点,航空公司飞机性能工程师的一项主要工作就是飞机性能选型,市场部确定可以盈利的航线后,飞机性能工程师进行飞机性能选型工作,飞机性能选型影响机型与航线的匹配问题。飞机性能选型直接影响航空公司的运营成本,其正确性和合理性在某种程度上决定了航空公司未来的机队规模与市场战略布局,因此开展飞行性能优劣度的性能选型工作是十分必要的,飞行性能优劣度是表征飞机整体性能的重要参数,基于飞机性能优劣度选型体系的完善,对飞机选型具有重要意义。
李继保[1]提出,发动机单位推力是民用发动机性能的重要表征参数,并且发动机单位推力受总增压比、涡轮前总温、涵道比的影响。分析得到,在总增压比、涡轮前总温不变时,涵道比与油耗率和单位推力成反比;在总增压比、涵道比不变时,涡轮前总温与单位推力成正比。
侯大为[2]指出,发动机耗油成本是发动机选择时需要考虑的重要指标之一。耗油成本作为发动机成本的重要指标,其值越小指标越优。由单位里程油耗系数与飞机飞行里程相乘,再结合发动机油耗劣化曲线进行修正,得出服役期间的燃油消耗,其值在成本方面表征了发动机性能的优劣。
殷爱萍[3]认为,发动机推力是民用发动机选型时的重要飞行性能指标。分析了在起飞、降落过程中推力不同的情况下,飞机高度和空速的变化;提到在顺风起飞时,达到起飞速度所需要的起飞距离增加,因此在顺风起飞时,发动机推力性能将更具意义。
谢春生[4]提出,航线性能主要体现在业载能力,航程能力和巡航高度三个指标上。业载能力为在航线距离相同条件下,装载旅客和货物的能力,业载能力越强,运输的旅客和货物越多。航程能力为一次不加油航行的最大距离的能力,航程能力越强,运输的距离越长。巡航高度为飞机在巡航阶段飞行的高度,巡航高度能力越强,适用的航线范围越广,经济性也会得到大大改善。
孙瑜[5]指出,航线分析应主要分析飞机对航线的适应性,特别是高原航线、跨水航线等特殊航向的适应性,确定每条航线上各种机型飞机的一些技术指标并进行对比,即业载能力、航程能力、巡航速度。将可视化的仿真技术应用于飞行效能评估过程进行监控,为性能工程师提供直观评估的环境。
马超[6]等人提出,飞机的航程能力直接体现在最大起飞重量(Maximum Take-off Weight,MTOW)和燃油油箱最大容积,航程越短则最大起飞重量越轻。相同翼载荷和推重比条件下,起飞推力和机翼面积减小。机翼面积和起飞推力的减小会影响到飞机的巡航高度、单发净升限、巡航速度。油箱容积越大,航程越远。
钟尉[7]提出,航线适应性的特殊运行能力可以分为极地、ETOPS、PBN、飘降性能、客舱失压氧气配备。其中,飞机的飘降性能和ETOPS能力是由发动机性能决定的,故在巡航阶段若发生发动机故障,应考虑两方面,分别为一发失效时飞机的航路限制,两台发动机同时不工作时飞机的航路限制(三发或三发以上飞机)。
南京航空航天大学的钟尉[7]提出机场对飞机性能的限制主要体现在跑道长度限制、跑道坡度限制、机场高度限制和机场道面限制。
闫克斌[8]指出机场适应性受到机场气温、气压、标高、风向、风速、跑道道面结构、跑道长度、道面的干湿程度、限制面的障碍物等多种因素的影响。在机场适应性的研究中,需考虑机场道面条件与飞机轮胎的适应性,爬升越障性能和跑道长度对预选机型及其起飞降落的影响。
陈治怀[9]提出飞机等级数ACN能否满足机场道面等级PCN的要求、飞机在地面滑行时的转弯机动性和最大起飞重量、最大着陆重量反映了跑道起降性能和道面条件,是与机场适应性相关的飞机性能选型指标。
航线经济性直接关系到航空公司的运营成本。航空公司运营成本主要与燃油成本和机组小时成本有关。
韩晓玲[10]指出飞机经济评估包括收入和成本两方面,航线运输成本和收入与运量有关,其中客公里收入和客公里成本是民用飞机营运经济性的指标。客公里收入=运输旅客收入/客公里,客公里收入与客座利用率有很大关系。客公里成本=航空公司成本/客公里,机型与每座成本有关系,小飞机的每座成本要高于大飞机的每座成本。
宋杨[11]指出经济性是民机市场竞争性的核心指标之一。在同等座级和航程的情况下,飞机的直接运营成本越低,飞机使用经济性就越好。航线运营成本中,与飞机设计指标紧密相关的为燃油成本和维修成本。
尹国栋[12]指出支线飞机选型经济性的评估指标包括座公里成本、燃油成本、座公里收入。
表1 常见机型双发小时耗油率(kg/h)
表1为常见机型双发小时耗油率。卢大伟[13]指出航线经济性主要体现在燃油经济性上,燃油成本占航空公司运营成本的30%左右,新型飞机采用了更轻的材料,更节油的发动机,每座公里的燃油成本更低。
飞机选型方面存在着许多的选型方法。在现有的选型指标确定的情况下,如何根据各类指标科学的选择所需要的机型,这是非常重要的。
在飞机选型方面演克武等[14]运用灰色层次分析法,对机型适应性的几个相关参数进行了系统分析。首先其建立层次指标体系:技术性指标(机场适应性、航线性能等)、经济性指标(直接、间接成本)。先运用层次分析法,得到相关上层元素的组合权重;再利用灰色评价法,对指标层、准则层进行综合评价;最后按照最大原则确定受评对象的所属等级数,同时求出综合评价值,并参考灰类等级对受评对象系统进行评价。
南京航空航天大学的王筱利[15]提出:采用层次分析效用理论对飞机发动机选型方案进行评价。使用层次分析法确定指标权重;对不确定性指标利用模糊数学原理,进行隶属度量化,得到指标效用矩阵。将评价指标分为成本型和效益型,分别对其进行规范处理。根据顾客对风险的态度不同,计算不同指标对应的效用值及对应总效用值,对各备选方案总效用值并进行排序,其值越大,方案越优。
葛瑞辰[16]提出:利用NSGAⅡ和灰色关联TOPSIS分析法进行宽体客机系列化选项分析。使用NSGAⅡ以经济性、飞机性能为指标,商载、航程为约束,对宽体客机进行匹配性分析,得出满足顾客需求的非劣解。对所得非劣解用灰色关联TOPSIS算法对备选方案进行排序,得出各方案的优劣性。
为了使航空旅行需求与其飞行能力尽可能紧密地结合在一起,航空公司需要对机队规划过程和航线网络布局采取适当的方法。Slavica Dožić,Milica Kalić[17]提出利用层次分析法(AHP)解决已知航路网络的飞机选型问题,并对飞机出行需求进行预测。对标准不同的指标两两比较进行了选择性评级的灵敏度分析。通过改变成对比较矩阵中的一个元素(同时保持其他元素不变),从而监视飞机选型过程,从而实现可能的改进。
Sabaghia[18]提出通过DOE与TOPSIS相结合的方法,对多个参数进行考虑,得到飞机部件拆卸判别模型,并得出各部件的拆卸指标的研究方法。该方法利用庞巴迪区域喷气飞机进行验证,得出所建立拆卸模型的可靠性。同时提出该模型在设计阶段的适用性,对拆卸部件进行寿命评估。这种研究方法同样可以适用于飞机的选型评估。
褚双磊[19]针对航空公司性能工程师的日常计算工作,设计并开发了一款飞机性能辅助计算软件,实现性能工程师日常工作的快捷和简便性计算,为性能选型提供帮助。并依据障碍物的远近对起飞性能进行了障碍物安全评估[20],在机场范围内,民用飞机越障能力至关重要。
通过查询和阅读大量与飞机性能选型相关的文献,收集了许多关于影响民用飞机选型的因素,将这些影响因素与航空公司的实际选型参考因素相结合,并进行科学性、相关性、整体性分析,同时结合民航专家的意见,最终成功构建初步的民用飞机飞行性能选型指标体系模型,见图1所示。
图1 民用飞机性能选型指标体系
民用飞机飞行性能优劣度是指在一定运行环境和运行限制条件下,民用飞机以最优异飞行性能工作的能力,是衡量民用飞机的飞行性能好坏的关键指标,它是决定民用飞机气动效率、推进性能和机型适应性的重要物理量。
在机场适应性方面,民用飞机起降性能体现在机场运行的低速阶段,主要与跑道的运行参数有关。良好的起降性能主要为所需跑道长度较短,对于机场跑道条件依赖性较小,可以在较弱的跑道污染物覆盖下起降。
在航线适应性方面,业载和航程是民航飞机航线性能的两个重要指标,航空公司希望飞机飞得越远越好,可以通达城市越多,业载越大越好,客票收入越多,业载和航程是相互影响的两个指标。ETOPS决定了机型的越洋飞行能力,特殊运行能力包括RVSM运行,极地运行,国际飞行,高原航线运行等。
在航线经济性方面,主要是燃油成本和直接运营成本,燃油成本和直接运营成本低,航空公司盈利空间大,考虑旅客运输量时,则涉及座公里成本和座公里耗油,座公里成本是指航空公司运送1个旅客飞行1公里带来的成本。座公里耗油是指航空公司运送1个旅客飞行1公里所消耗的燃油。
在发动机匹配性方面,主要指发动机性能,飞机的推力大小决定爬升梯度,爬升梯度越大,飞机的越障性能越好,发动机推力越大,起飞距离变短,巡航速度增大。外界温度增加超过平台温度时,发动机推力减少,导致爬升梯度减少。
随着航空公司飞机引进和航线网络布局工作的深入,飞机性能选型工作更加重要,迫切需要形成性能选型指标体系,对民用飞机性能选型进行评估,完善飞机性能选型工作。
采用层次分析模型对飞机飞行性能进行选型评估。首先采用专家打分法确定评价指标体系,建立了三层次(目标层、准则层、指标层)的飞机飞行性能的层次分析模型。我们邀请几位行业内的专家对所建立的指标体系进行重要性评价,得到了各层次的专家评价数据。使用AHP确定每个评价指标的权重,用两两比较法构造比较矩阵,再按重要程度构造判断矩阵。根据判断矩阵求出特征向量,归一化作为权重值Wi,并对矩阵进行一致性检验。根据AHP计算准则层、指标层权重,并进行绝对权重排序,其结果如表2所示。
本文构建了飞机性能选型的递阶层次结构模型,包含机场适应性、航线适应性、航线经济型、发动机性能四个一级指标,若干个二级指标。
提出了基于层次分析法的飞机性能选型指标权重大小排序,得出对飞机性能选型影响较大的因素为发动机推重比、直接运行成本、座公里成本、小时耗油、单发推力5个因素。
随着新型民用飞机机型的投入使用和新航行技术的发展,性能选型工作越来越复杂,民机新技术也将成为考虑重点,性能指标体系将不断完善,更加贴近公司运行实际情况,更好地对性能选型进行综合评估。
表2 飞机性能选型指标体系权重大小及排序