基于CCO 運行的離場航空器航跡仿真及油耗分析

任治

（中國民用航空局空中交通管理局，北京 100018）

現代民航業對航空器運行過程中燃油消耗及碳排放的要求愈加嚴苛，而國際原油價格的一路高漲也使得航空公司運營成本不斷攀升。為提高航空器進離場效率，改善燃油經濟性，國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）提出了連續爬升運行（Continuous Climb Operations，CCO）和連續下降運行（Continuous Descent Operations，CDO）兩個運行理念，CCO 與CDO 運行理念下飛機將最大限度的利用其設計的最佳性能垂直剖面進行連續的爬升和下降。CCO 用于飛機離場程序中，相較于傳統離場程序“階梯式”的爬升過程，其垂直剖面更加平滑，同時可優化飛行員操作過程、有效降低燃油消耗，一定程度上提升了爬升效率，從而進一步提升離場效率和空域容量，為大流量運行情況下的運行安全提供了更高的保證。因此有必要對CCO 離場和傳統離場程序進行對比分析，進一步量化CCO 在燃油經濟性方面的優勢，以期為未來實現完全CCO 運行提供理論支持。

1 仿真模型建立

1.1 仿真評估軟件環境

波音爬升程序(Boeing Climb Out Program，BCOP)是Windows 界面下用于對終端區程序（如進離場或進近程序）及航路飛行進行飛機性能計算的軟件，該軟件可以根據輸入的飛機機型、發動機性能參數、機場跑道信息、機場的氣象信息、預先設定的垂直和水平飛行計劃軌跡，輸出詳細的飛行過程各類參數報告，生成飛機的垂直剖面和水平模擬軌跡。該軟件主界面如圖1 所示。

圖1 軟件主界面

波音飛行性能軟件BCOP 主要模塊：

“Computation”界面選擇計算類型和輸出參數，生成計算報告；

“Airplane Configuration for”界面選擇機型、發動機使用和襟翼位置；

“Airport Info for”界面定義機場名、標高、跑道信息、導航臺信息及機場的溫度、風速等氣象信息；

“Vertical and Lateral Navigation”界面設置飛機的垂直剖面和水平航跡；

“Initial Conditions”界面設置飛機的起飛重量、襟翼角度和溫度等參數；

“In-Flight Starting Conditions”界面用于飛機起飛狀態飛機起始信息的設置。

1.2 太原機場離場仿真模型

利用BCOP 機場信息處理界面確定機場跑道的長度、標高、經緯度坐標和導航臺的標高、類型、經緯度坐標、磁差、機場氣象信息，建立太原機場進離場空域基本模型。處理界面如圖2 所示。太原機場，ICAO 代碼ZBYN，機場標高2579 英尺，目前擁有一條跑道（代號為13-31），導航設施有本場除VOR/DME 臺TYN，此外還有ANPIG、MAPMU 等6 個五字代碼點用于離場。

圖2 機場信息界面

太原機場由13 號跑道起飛后，順時針方向沿DME 弧分別分布有ANPIG -01D、OKVUM -01D、MAPMU01D、MAPMU -02D、OMKAK-01D 五條離場程序，逆時針方向沿DME 弧分別分布有UBLAT-01D、UBLAT-02D、TODAM-01D 三條離場程序，其中向西北方向穿過市區有一條較長的走廊，為本場最長的一條離場程序TODAM-01D，從數量上看西部離場程序略密于東部。

下文將利用BCOP 建立階梯式爬升垂直剖面和CCO 運行垂直剖面，并分別用于8 條SID離場程序進行計算并分析結果。

2 仿真結果及數據分析

2.1 航跡仿真結果

在BCOP 中，分別依據表1 和表2 建立的階梯式爬升垂直剖面和CCO 運行垂直剖面，利用B737-800 飛機性能數據及圖1 軟件初始設定進行仿真模擬后的垂直軌跡如圖3 所示。

圖3 垂直軌跡仿真結果

表1 全發工作階梯式爬升離場垂直剖面

表2 全發工作CCO 離場垂直剖面

將所選8 條離場程序分別利用階梯式爬升和CCO 垂直剖面做仿真計算，令每條飛行程序兩種爬升過程均達到相同高度層，以ANPIG-01D 為例，其飛行過程見表3。由于CCO 和階梯式爬升對于水平軌跡影響較小（CCO 略早于階梯式爬升到達指定高度層），ANPIG-01D離場程序水平軌跡如圖4 所示。

表3 ANPIG-01D 水平剖面

圖4 ANPIG-01D 水平軌跡圖

2.2 燃油經濟性分析

根據BCOP 運行后生成的報表數據分析可得，采用CCO 運行模式代替傳統階梯式爬升后，燃油消耗量和CO2排放量均有減小，其中每個航班每次平均燃油消耗減少40Lb（約18.14Kg），CO2排放量減少57.17Kg，按照太原機場2019 年統計數據（2019 年之后機場起降數據受“新冠”疫情影響，參考意義不大），其全年起降架次達到108275 架次，其中離場航班54138 架次，若離場全部改為CCO 運行，則單一燃油消耗可節約982063.3Kg(約982t），CO2排放量減小3095069.5Kg(約3095t），因此CCO運行對于燃油經濟性有一定的改善。圖5、6 分別為兩種運行模式燃油消耗對比圖和CO2排放量對比圖。

圖5 燃油消耗對比圖

3 結論

本文參照ICAO 對于CCO 相關運行理念，得到簡化的CCO 運行垂直剖面航段，利用BCOP 軟件建立太原機場仿真模型，設定8 條離場程序水平剖面，通過CCO 和傳統階梯式爬升對比分析，得到不同垂直剖面對于燃油消耗和CO2排放量的量化分析數據。結果顯示，CCO 模式相較于傳統階梯式爬升運行，可為太原機場節約大量航空燃油及CO2排放量。因此有必要逐步推廣CCO 運行模式。但是本文僅對燃油經濟性和碳排放進行評估，無法反映其在噪聲控制、管制負荷等方面的運行情況，且所使用的CCO 程序為基本CCO 程序，下一步將分別對基本CCO 程序進行優化設計，以提升其運行效率。

圖6 CO2 排放量對比圖