| 标题 | 评估连续下降在终端区运行所产生的利益和影响 |
| 范文 | 黄晋 摘 要： 介绍一个利用下降轨迹的优化来减少燃料消耗和污染物排放的案例研究。抵达航班通过一系列基线下降轨迹的转换，观察到的雷达跟踪数据的采集和怠速油门的下降轨迹来沿垂直面下降。对基线的轨迹和抵达航班，以及它们的连接进行了深入的描述。对两种白天运营的优化下降程序的实施方案（无约束和约束）进行了分析。对在无约束优化下降和约束优化下降的情况下双方的潜在利益和冲突造成的这种运营情形进行量化。优化下降到场程序的操作过程是可以实现的，燃油和排放节省了效益，同时避免与其他交通的冲突。 关键词： 连续下降进场； 优化下降； 节省燃油； 减少排放 中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）10?0098?05 近期航空燃油价格不断提升，环境问题越来越严重，促使不得不去研究减少航空运输燃油消耗，污染物排放和噪音的方法。在飞行的下降阶段，为减少这些因素的影响重新设计飞机进场航线和程序，使得飞机可以减少油门的使用。下降航线和程序的设计旨在减少优化下降面（OPD）下降时油门的使用。在OPD最为理想的情况中，下降的飞机不会在下降过程中使用任何油门。相反的，将对减速下降飞机的势能和动能进行优化管理，到达的飞机将能够从巡航阶段滑翔下来，其发动机处于怠速状态，将其动能和势能转化为对机体的阻力。在这种情况下，在抵场过程中燃料的燃烧和排放的污染物将被最小化。这通常被称为连续下降进近（CDA）。然而，在实际的操作中，进近中的飞机并不总是能够沿着飞机具体的优化高效的轨迹下降。在正常交通流量水平，如在白天操作的情况下，由于安全性和效率的需要所产生的约束通常需要飞机使用推力来维持水平飞行。这些水平飞行阶段的存在导致飞机相比于怠速下降燃烧更多的燃料。 该研究大量的利益来自于下降飞机能够接近他的最优下降轨迹，同时避免与未到达的交通流的冲突。假定在怠速油门阶段，基线进近飞行的垂直面，从雷达追踪数据转化到新的垂直面。进近中飞机的地面轨迹和速度保持不变，使得飞机之间的横向和纵向间隔保持不变。这种转变允许集中评估改进的垂直面的潜在效益。交通之间的相互作用，允许识别优化下降面的到场交通流和非到场的交通流之间的潜在冲突，但并没有解决如果沿优化下降面进近，以及进近的纵向间隔是如何改变的。 首先，潜在的燃油消耗和减少排放的好处大约85%来自于低于20 000英尺高于平均海平面高度（MSL）的优化下降轨迹。其次，如果在下降交通流中允许无限制的连续下降，下降中的飞机进行进近倾斜时与离场流量可能出现冲突。第三，这样去除了从航路到终端空域的越区切换和水平飞行，实现了15%的燃料节省和减排，同时避免了许多的OPD到场和未到场流量之间的潜在冲突。 1 背 景 国际伙伴之间的合作和许多独立的研究项目目前正在进行，调查以减少航空运输油耗，排放和噪音的方法。这些研究跨越两大洋并且包括工业界，政府和学术界之间的合作。在大西洋地区，大西洋互操作性计划，减少排放（AIRE）的成立，其目标是加速对飞行所有阶段环境改善的发展[1]。在太平洋地区，亚洲和南太平洋主动减少排放（ASPIRE）的成立是为了使这一目标扩展到亚洲和南太平洋地区的航班。 作为AIRE和ASPIRE项目的初始里程碑的一部分，对利用优化下降面来进行飞行进近的现场试验已经完成，包括从巴黎到迈阿密，从奥克兰到旧金山跨洋航班。这些试验验证优化下降的环境效益。 除了飞行的下降阶段，正在进行的研究还包括在离场、巡航和表面作业时排放和燃油消耗的减少。在这些飞行阶段能创造的利益是不同的，但是在下降过程中减少燃油和排放的潜力是一样的[2]。 2 方 法 本文通过模拟优化下降面的当前进近来评估白天执行OPD的好处和影响。下面详细介绍如何从基线到建模OPD飞行实现转型。 2.1 基线到场轨迹的描述 航班抵达丹佛国际机场的地面轨迹如图1所示。 图1 航班抵达丹佛国际机场的地面轨迹 地速、海拔、燃油消耗率和飞行速度制动器的使用如图2所示。地面速度和高度的提取来自于雷达对飞行航迹的记录。燃料燃烧率和速度制动器的使用是从使用模拟欧洲航空安全组织的航空器数据（BADA）飞行性能数据库的飞行轨迹信息中计算得出的[3]。沿水平轴的地面轨迹在跑道之前的距离用海里（NM）表示。所有的量显示于单一图形中来说明它们之间的联系，每个数量都用图2的颜色和单位来标示。 图2 基准到场航班的垂直面和轨迹 到场飞机的轨迹在图2中遵循从左至右的原则，巡航阶段可见于左侧（在-150 NM），跑道可见于右侧（在0 NM）。在地面轨迹图中，下降点上方的位置由海拔线上的红点表示。这个特殊的到场检查结果显示，它在降落前135 NM处开始降落。在开始降落前燃烧燃料大约75 lb/min。在下降点的正上方飞机开始以1.8°的下降率，30～50 lb/min的油门下降。在距离着陆约70 NM的地方飞机开始在慢车推力状态下以3.9°的下降率，并利用少量的速度刹车下降，从而避免加速下降。到场飞机在13 000英尺MSL处水平飞行距离着路50 NM。为了水平飞行，需为飞机提供动力燃烧大约75 lb/min的燃料。 飞机到场轨迹的描述包括很多大于慢车推力状态下的水平飞行和下降阶段。由于空域的限制和间距需要进行水平飞行。如果这些下降和水平飞行能够被在怠速油门状态下下降所取代，那么在飞机飞行阶段将会潜在地减少总的燃油使用量和排放量。 2.2 模拟优化下降面到场轨迹的描述 对于模拟优化下降面到场轨迹，首先巡航阶段被延长，使得下降点更靠近跑道；其次，整个下降是在怠速状态下执行，地面轨迹和速度不变。燃料消耗模型被用来计算上一航段的油耗和速度刹车使用率，其可反向应用到计算其油耗和速度制动设置下的飞行模拟轨迹。模拟轨迹过程的结果被称为优化下降面到场轨迹。沿着模拟优化下降面到场轨迹的新的下降点通过轨迹开始段附近的红点显示。 与图1比较可知，新的下降点顶端距离跑道距离相比于基线进场近约40 NM。结合图2，地速，海拔，燃油消耗率和模拟OPD到场速度制动器的使用绘制在图3中。作为基准轨迹，下降点顶端的位置显示在红色高度线上，模拟飞行的轨迹遵循从左至右。模拟优化下降面到场的显示与基线轨迹有所不同。首先，在飞行水平面3 200英尺的巡航段扩展大约40 NM，新的下降点顶端距离底端90 NM。在延长巡航阶段，飞机燃烧燃料约75 lb/min，在下降点顶端飞机开始以2.8%下降率怠速状态下下降。因为低海拔地区空气密度的增加，导致怠速状态下的飞机下降燃料燃烧率增加。为了降低飞机速度而进行水平飞行，在真实飞行中，飞行员会在这一点拉杆来使飞机减速。到场的其他飞机继续以2.5%～3.0%下降率着陆。 图3 优化下降面的垂直面和轨迹 2.3 基线与模拟OPD飞行轨迹的比较 基线飞行和模拟OPD飞行轨迹如图4所示，基准飞行轨迹被绘制成一组细线，OPD轨迹被绘制成一组粗线。注意基线和模拟轨迹的地速是相同的，这里只有一条单一的线是地速。两者的比较揭示了如何将两个燃料的燃烧速率在沿地面轨迹的相同位置进行比较。在巡航延伸阶段，模拟OPD进场燃料燃烧率高于基线进场。 图4 基线与模拟OPD飞行轨迹的比较 需要额外的燃料燃烧来维持增加的巡航长度。当在下降点顶端时，模拟OPD进场燃料燃烧率低于基线进场。这是因为OPD下降时油门处于怠速状态。模拟OPD轨迹在高油门状态下不能达到平衡水平。 总体来说，得出的结论是，如果所考虑的基线到场已下降到OPD，它会在巡航延长段燃烧更多的燃料，但从其下降点开始燃烧更少的燃料。这两种效应的净燃油消耗的区别是在OPD到场节省了220 lb的燃油消耗[4]。 3 分 析 从基线向模拟OPD轨迹的转换可以应用到所有丹佛国际机场的进场，以此来了解如果所有的进场都采用OPD运行将如何改变。特别地，转换将给出燃料节省和减排收益的估测，以及突出OPD进场运行和当前离场运行的潜在冲突。 下面详细介绍潜在利益和冲突： 3.1 无约束连续下降 无约束连续下降就是在进场过程中从巡航到着陆处于怠速状态下的连续下降。在理想情况下通过允许飞机在最佳下降面上飞行来获取最大的利益。然而，执行这种理想情况将会导致无约束下降和其他交通流之间的冲突。 在无约束连续下降的情况下模拟OPD进场的进场流量和基线离场流量。从对模拟OPD进场流的检测可以发现他们与基线离场流存在冲突。冲突发生在基线和离场流的垂直间隔区域。OPD下降相比于基线进场在一个更高的高度飞行，离场流与进场流的垂直间隔信息可能会丢失。另一方面，自从OPD进场在离场上方更高处飞行，在执行OPD时进场和离场之间将不会产生冲突。 从巡航到着陆之间的无约束的连续下降产生的燃料节省和减排所获得的利益如表1所示。表1的上面4行是来自北方定位点的短边进场，下面4行是来自南边定位点的长边进场。如前所述，燃料的节省通过欧洲航空安全组织的航空器数据飞行数据库来计算。减排量是通过基于燃料燃烧的恒定相乘来计算的[5]。 在无约束连续下降的情况下通过对模拟OPD进场的分析可以知道这种运行不仅产生冲突，同时也可以实现潜在的利益。模拟OPD进场交通流与基线离场交通流共享一个空域。如果这些潜在的冲突没有缓解，由于终端管制员交替封锁进场和离场空域，运行OPD将会失去一定容量。除了潜在冲突，现场试验和仿真模拟的结果表明，OPD进场和交叉交通流之间的潜在冲突也存在于航路空域。表1中这些数字是理想所能获取的最高的利益。如果把所有抵达丹佛的飞机的潜在能源节省加起来，总的受益将是每天20 000 gal燃料。相应地每天减少排放200万吨的二氧化碳和100 lb左右的二氧化硫。 3.2 冲突缓解方针 从第3.1节的分析可知，如果进场允许无约束下降，OPD进场和离场交通流的冲突将会增加。虽然OPD运行能够产生巨大的利益，但同时冲突的增加导致无约束下降不可行。相反，某些缓解策略需要被应用来避免这些冲突。 表1 模拟无约束条件下的减排和燃料节省 3.2.1 延迟启动 这里所描述的第一个缓解冲突的策略是避免航路空域上的OPD下降飞机和交叉交通流的冲突。这种类型的冲突能够通过限制飞机在一定高度上的怠速下降来避免。例如，OPD到场的连续下降部分能够被起始点低于OPD的起始高度所限制。在此高度上的到场飞机将遵循正常的空中交通管制程序，包括由航路空中交通管制员发出的任何指令。执行这一方针的潜在利益的减少量化见图5。每一条都表示特定机型从丹佛机场进场定位点到16L跑道潜在能源的节省。水平轴是OPD起始高度。在最右边是起始于飞行水平面4 000英尺的连续下降部分，这意味着飞机可以执行无约束连续下降。当OPD起始高度低于飞行水平面2 500英尺，85%潜在燃料的节省将被保留。 图5 潜在利益的减少量化图（一） 3.2.2 提前终止 第二个缓解冲突的策略是针对避免终端空域OPD下降飞机和离场交通流的冲突。这种类型的冲突能够通过要求飞机达到一定高度的情况下结束怠速下降来避免。例如，在OPD终止高度，OPD到场的连续下降部分能够被要求停止。低于此高度的到场飞机需要遵循正常的空中交通管制程序，包括任何离场交通流的上方或下方。实施第二策略的利益减少的量化见图6。水平轴是OPD终止高度。最左侧是连续下降部分扩展到常压高以下的例子（即无约束的连续下降）。OPD的终止高度导致潜在的燃料节省降低。当OPD终止高度上升到飞行水平面1 500英尺，将近70%的潜在节省燃料将不再可用。 图6 潜在利益的减少量化图（二） 3.3 约束连续下降 第3.2节所描述的缓解冲突的方针帮助避免了航路上的交叉交通流与终端空域离场流的冲突。结合两种方针，OPD程序提供了一个更低的利益，但同时也避免导致OPD程序不可行的冲突。具体地说，如果OPD起始高度被设定为飞行水平面2 500英尺和OPD终止高度被设定为飞行飞行水平面1 500英尺，所得到的OPD程序将避免高海拔和低海拔的冲突。 在25 000英尺MSL和15 000英尺MSL之间的约束连续下降条件下平均每次飞行所节省燃料和减排利益见表2。 表2 约束连续下降条件下平均每次飞行所节省燃料和减排利益 潜在燃料和排放的节省效益分别列于每个到达方向。如预期，比较表1可知约束连续下降潜在利益低于无约束连续下降。如果把每个到场方向的燃料和排放节省总加在一起，总的潜在燃料的节省利益将是3 000 gal每天。相关的排放量节省每天减少排放30万吨的二氧化碳和15 lb的二氧化硫。潜在益处的减少到只占最理想情况下潜在利益的15%。然而，与其他交通的可能的冲突也被降低[6]。 4 结 语 本文的重点研究了丹佛国际机场执行OPD进场的潜在利益和冲突的案例。潜在的利益和冲突通过实际到场航班轨迹的转换显示出来，从雷达数据的采取，到模拟OPD进场飞行。对这两种实现方案进行了分析。在第一种情形中，进场航班被允许沿着约束连续下降轨迹下降，并对其进行了优化，以减少油门的使用。第一种方案的利益可以达到每日节省20 000 gal燃料，每日减少排放200 t二氧化碳和100 lb二氧化硫。然而，进场航班和其他交通流之间的相互作用的检测揭示了多个潜在冲突，这些潜在冲突由于允许进场沿着他们的最优轨迹下降而产生。具体而言，OPD进场下降经历了航路空域上的交叉交通流和终端空域的离场交通流之间的潜在冲突。为了避免OPD进场和航路交叉交通流之间的潜在冲突，提出了一个缓解方针，这个方针涉及到延迟连续下降的起点直到进场飞机下降到一个特定的高度以下。在这个高度之下，下降飞机将执行逐步下降的正常运作，以避免与交叉交通流的冲突。同样，为了避免OPD进场与离场交通流之间的潜在冲突，提出了一个缓解方针，这个方针涉及到在一个特点的高度以下时终止连续下降。低于这个高度的飞机在当前操作下将执行水平飞行来避免与离场交通流的冲突。这两个缓解冲突方针在第二个执行场景中联合使用。 执行OPD进场不仅可以获得真实可测的利益，而且可以避免与其他交通流的冲突。特别是OPD进场操作不需要为了产生燃料节省和减少排放的利益被最大程度的执行。执行OPD进场操作的约束和限制是充分的。约束连续下降场景通过精心选择被移除的水平飞行部分来显示，获取利益的同时冲突也被避免。 参考文献 [1] SPRONG K R， KLEIN K A， SHIOTSUKI C， et al. Analysis of atlantic interoperability initiative to reduce emissions continuous descent arrival operations at atlanta and Miami [C]// Proceedings of 2008 27th Digital Avionics Systems Conference. Minneapolis： IEEE， 2008： 12?18. [2] MILLER B， CLARKE J P. Emissions reductions enabled by improving airport surface operations [J]. Air Traffic Control Quarterly， 2004， 12（2）： 147?164. [3] Eurocontrol. Base of aircraft data （BADA 3.6） [R]. Brétigny， France： The Eurocontrol Experimental Centre， 2004. [4] JOHNSON C， SHEPLEY J， FERRANTE J， et al. Human?in?the?loop simulation and analysis of Atlantic interoperability initiative to reduce emissions optimized profile descent operations at Atlanta， F064?B09?007 [R]. [S.l.]： The MITRE Corporation， 2009. [5] SUTKUS D J. Scheduled civil aircraft emission inventories for 1999： database development and analysis， NASA ?2001?211216 [R]. Washington， DC： National Aeronautics and Space Administration， 2001. [6] OHSFELDT M. Quantifying the relationship between air traffic management inefficiency， fuel burn， and air pollutant emissions [C]// Seventh USA/Europe ATM R&D Seminar. Barcelona， Spain： [s.n.]， 2007： 111?120. |
| 随便看 |
|
科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。