基于CCO 运行的离场航空器航迹仿真及油耗分析

任治

（中国民用航空局空中交通管理局，北京 100018）

现代民航业对航空器运行过程中燃油消耗及碳排放的要求愈加严苛，而国际原油价格的一路高涨也使得航空公司运营成本不断攀升。为提高航空器进离场效率，改善燃油经济性，国际民用航空组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）提出了连续爬升运行（Continuous Climb Operations，CCO）和连续下降运行（Continuous Descent Operations，CDO）两个运行理念，CCO 与CDO 运行理念下飞机将最大限度的利用其设计的最佳性能垂直剖面进行连续的爬升和下降。CCO 用于飞机离场程序中，相较于传统离场程序“阶梯式”的爬升过程，其垂直剖面更加平滑，同时可优化飞行员操作过程、有效降低燃油消耗，一定程度上提升了爬升效率，从而进一步提升离场效率和空域容量，为大流量运行情况下的运行安全提供了更高的保证。因此有必要对CCO 离场和传统离场程序进行对比分析，进一步量化CCO 在燃油经济性方面的优势，以期为未来实现完全CCO 运行提供理论支持。

1 仿真模型建立

1.1 仿真评估软件环境

波音爬升程序(Boeing Climb Out Program，BCOP)是Windows 界面下用于对终端区程序（如进离场或进近程序）及航路飞行进行飞机性能计算的软件，该软件可以根据输入的飞机机型、发动机性能参数、机场跑道信息、机场的气象信息、预先设定的垂直和水平飞行计划轨迹，输出详细的飞行过程各类参数报告，生成飞机的垂直剖面和水平模拟轨迹。该软件主界面如图1 所示。

图1 软件主界面

波音飞行性能软件BCOP 主要模块：

“Computation”界面选择计算类型和输出参数，生成计算报告；

“Airplane Configuration for”界面选择机型、发动机使用和襟翼位置；

“Airport Info for”界面定义机场名、标高、跑道信息、导航台信息及机场的温度、风速等气象信息；

“Vertical and Lateral Navigation”界面设置飞机的垂直剖面和水平航迹；

“Initial Conditions”界面设置飞机的起飞重量、襟翼角度和温度等参数；

“In-Flight Starting Conditions”界面用于飞机起飞状态飞机起始信息的设置。

1.2 太原机场离场仿真模型

利用BCOP 机场信息处理界面确定机场跑道的长度、标高、经纬度坐标和导航台的标高、类型、经纬度坐标、磁差、机场气象信息，建立太原机场进离场空域基本模型。处理界面如图2 所示。太原机场，ICAO 代码ZBYN，机场标高2579 英尺，目前拥有一条跑道（代号为13-31），导航设施有本场除VOR/DME 台TYN，此外还有ANPIG、MAPMU 等6 个五字代码点用于离场。

图2 机场信息界面

太原机场由13 号跑道起飞后，顺时针方向沿DME 弧分别分布有ANPIG -01D、OKVUM -01D、MAPMU01D、MAPMU -02D、OMKAK-01D 五条离场程序，逆时针方向沿DME 弧分别分布有UBLAT-01D、UBLAT-02D、TODAM-01D 三条离场程序，其中向西北方向穿过市区有一条较长的走廊，为本场最长的一条离场程序TODAM-01D，从数量上看西部离场程序略密于东部。

下文将利用BCOP 建立阶梯式爬升垂直剖面和CCO 运行垂直剖面，并分别用于8 条SID离场程序进行计算并分析结果。

2 仿真结果及数据分析

2.1 航迹仿真结果

在BCOP 中，分别依据表1 和表2 建立的阶梯式爬升垂直剖面和CCO 运行垂直剖面，利用B737-800 飞机性能数据及图1 软件初始设定进行仿真模拟后的垂直轨迹如图3 所示。

图3 垂直轨迹仿真结果

表1 全发工作阶梯式爬升离场垂直剖面

表2 全发工作CCO 离场垂直剖面

将所选8 条离场程序分别利用阶梯式爬升和CCO 垂直剖面做仿真计算，令每条飞行程序两种爬升过程均达到相同高度层，以ANPIG-01D 为例，其飞行过程见表3。由于CCO 和阶梯式爬升对于水平轨迹影响较小（CCO 略早于阶梯式爬升到达指定高度层），ANPIG-01D离场程序水平轨迹如图4 所示。

表3 ANPIG-01D 水平剖面

图4 ANPIG-01D 水平轨迹图

2.2 燃油经济性分析

根据BCOP 运行后生成的报表数据分析可得，采用CCO 运行模式代替传统阶梯式爬升后，燃油消耗量和CO2排放量均有减小，其中每个航班每次平均燃油消耗减少40Lb（约18.14Kg），CO2排放量减少57.17Kg，按照太原机场2019 年统计数据（2019 年之后机场起降数据受“新冠”疫情影响，参考意义不大），其全年起降架次达到108275 架次，其中离场航班54138 架次，若离场全部改为CCO 运行，则单一燃油消耗可节约982063.3Kg(约982t），CO2排放量减小3095069.5Kg(约3095t），因此CCO运行对于燃油经济性有一定的改善。图5、6 分别为两种运行模式燃油消耗对比图和CO2排放量对比图。

图5 燃油消耗对比图

3 结论

本文参照ICAO 对于CCO 相关运行理念，得到简化的CCO 运行垂直剖面航段，利用BCOP 软件建立太原机场仿真模型，设定8 条离场程序水平剖面，通过CCO 和传统阶梯式爬升对比分析，得到不同垂直剖面对于燃油消耗和CO2排放量的量化分析数据。结果显示，CCO 模式相较于传统阶梯式爬升运行，可为太原机场节约大量航空燃油及CO2排放量。因此有必要逐步推广CCO 运行模式。但是本文仅对燃油经济性和碳排放进行评估，无法反映其在噪声控制、管制负荷等方面的运行情况，且所使用的CCO 程序为基本CCO 程序，下一步将分别对基本CCO 程序进行优化设计，以提升其运行效率。

图6 CO2 排放量对比图