魏一盛，褚雙磊*,2，張?zhí)餂_，姜妍竹，朱浩亮，童 曦

（1. 中國民航大學(xué)空中交通管理學(xué)院，天津 300300；2. 天津市空管運(yùn)行規(guī)劃與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

近年來，基于性能優(yōu)劣度對(duì)飛機(jī)進(jìn)行性能選型已成為民航業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，航空公司飛機(jī)性能工程師的一項(xiàng)主要工作就是飛機(jī)性能選型，市場部確定可以盈利的航線后，飛機(jī)性能工程師進(jìn)行飛機(jī)性能選型工作，飛機(jī)性能選型影響機(jī)型與航線的匹配問題。飛機(jī)性能選型直接影響航空公司的運(yùn)營成本，其正確性和合理性在某種程度上決定了航空公司未來的機(jī)隊(duì)規(guī)模與市場戰(zhàn)略布局，因此開展飛行性能優(yōu)劣度的性能選型工作是十分必要的，飛行性能優(yōu)劣度是表征飛機(jī)整體性能的重要參數(shù)，基于飛機(jī)性能優(yōu)劣度選型體系的完善，對(duì)飛機(jī)選型具有重要意義。

1 民用飛機(jī)性能優(yōu)劣度選型參數(shù)分析

1.1 民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)研究

李繼保[1]提出，發(fā)動(dòng)機(jī)單位推力是民用發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要表征參數(shù)，并且發(fā)動(dòng)機(jī)單位推力受總增壓比、渦輪前總溫、涵道比的影響。分析得到，在總增壓比、渦輪前總溫不變時(shí)，涵道比與油耗率和單位推力成反比；在總增壓比、涵道比不變時(shí)，渦輪前總溫與單位推力成正比。

侯大為[2]指出，發(fā)動(dòng)機(jī)耗油成本是發(fā)動(dòng)機(jī)選擇時(shí)需要考慮的重要指標(biāo)之一。耗油成本作為發(fā)動(dòng)機(jī)成本的重要指標(biāo)，其值越小指標(biāo)越優(yōu)。由單位里程油耗系數(shù)與飛機(jī)飛行里程相乘，再結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)油耗劣化曲線進(jìn)行修正，得出服役期間的燃油消耗，其值在成本方面表征了發(fā)動(dòng)機(jī)性能的優(yōu)劣。

殷愛萍[3]認(rèn)為，發(fā)動(dòng)機(jī)推力是民用發(fā)動(dòng)機(jī)選型時(shí)的重要飛行性能指標(biāo)。分析了在起飛、降落過程中推力不同的情況下，飛機(jī)高度和空速的變化；提到在順風(fēng)起飛時(shí)，達(dá)到起飛速度所需要的起飛距離增加，因此在順風(fēng)起飛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力性能將更具意義。

1.2 民用飛機(jī)航線適應(yīng)性參數(shù)研究

謝春生[4]提出，航線性能主要體現(xiàn)在業(yè)載能力，航程能力和巡航高度三個(gè)指標(biāo)上。業(yè)載能力為在航線距離相同條件下，裝載旅客和貨物的能力，業(yè)載能力越強(qiáng)，運(yùn)輸?shù)穆每秃拓浳镌蕉?。航程能力為一次不加油航行的最大距離的能力，航程能力越強(qiáng)，運(yùn)輸?shù)木嚯x越長。巡航高度為飛機(jī)在巡航階段飛行的高度，巡航高度能力越強(qiáng)，適用的航線范圍越廣，經(jīng)濟(jì)性也會(huì)得到大大改善。

孫瑜[5]指出，航線分析應(yīng)主要分析飛機(jī)對(duì)航線的適應(yīng)性，特別是高原航線、跨水航線等特殊航向的適應(yīng)性，確定每條航線上各種機(jī)型飛機(jī)的一些技術(shù)指標(biāo)并進(jìn)行對(duì)比，即業(yè)載能力、航程能力、巡航速度。將可視化的仿真技術(shù)應(yīng)用于飛行效能評(píng)估過程進(jìn)行監(jiān)控，為性能工程師提供直觀評(píng)估的環(huán)境。

馬超[6]等人提出，飛機(jī)的航程能力直接體現(xiàn)在最大起飛重量(Maximum Take-off Weight,MTOW)和燃油油箱最大容積，航程越短則最大起飛重量越輕。相同翼載荷和推重比條件下，起飛推力和機(jī)翼面積減小。機(jī)翼面積和起飛推力的減小會(huì)影響到飛機(jī)的巡航高度、單發(fā)凈升限、巡航速度。油箱容積越大，航程越遠(yuǎn)。

鐘尉[7]提出，航線適應(yīng)性的特殊運(yùn)行能力可以分為極地、ETOPS、PBN、飄降性能、客艙失壓氧氣配備。其中，飛機(jī)的飄降性能和ETOPS能力是由發(fā)動(dòng)機(jī)性能決定的，故在巡航階段若發(fā)生發(fā)動(dòng)機(jī)故障，應(yīng)考慮兩方面，分別為一發(fā)失效時(shí)飛機(jī)的航路限制，兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)不工作時(shí)飛機(jī)的航路限制（三發(fā)或三發(fā)以上飛機(jī)）。

1.3 民用飛機(jī)機(jī)場適應(yīng)性參數(shù)研究

南京航空航天大學(xué)的鐘尉[7]提出機(jī)場對(duì)飛機(jī)性能的限制主要體現(xiàn)在跑道長度限制、跑道坡度限制、機(jī)場高度限制和機(jī)場道面限制。

閆克斌[8]指出機(jī)場適應(yīng)性受到機(jī)場氣溫、氣壓、標(biāo)高、風(fēng)向、風(fēng)速、跑道道面結(jié)構(gòu)、跑道長度、道面的干濕程度、限制面的障礙物等多種因素的影響。在機(jī)場適應(yīng)性的研究中，需考慮機(jī)場道面條件與飛機(jī)輪胎的適應(yīng)性，爬升越障性能和跑道長度對(duì)預(yù)選機(jī)型及其起飛降落的影響。

陳治懷[9]提出飛機(jī)等級(jí)數(shù)ACN能否滿足機(jī)場道面等級(jí)PCN的要求、飛機(jī)在地面滑行時(shí)的轉(zhuǎn)彎機(jī)動(dòng)性和最大起飛重量、最大著陸重量反映了跑道起降性能和道面條件，是與機(jī)場適應(yīng)性相關(guān)的飛機(jī)性能選型指標(biāo)。

1.4 民用飛機(jī)航線經(jīng)濟(jì)性參數(shù)研究

航線經(jīng)濟(jì)性直接關(guān)系到航空公司的運(yùn)營成本。航空公司運(yùn)營成本主要與燃油成本和機(jī)組小時(shí)成本有關(guān)。

韓曉玲[10]指出飛機(jī)經(jīng)濟(jì)評(píng)估包括收入和成本兩方面，航線運(yùn)輸成本和收入與運(yùn)量有關(guān)，其中客公里收入和客公里成本是民用飛機(jī)營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)。客公里收入=運(yùn)輸旅客收入/客公里，客公里收入與客座利用率有很大關(guān)系?？凸锍杀?航空公司成本/客公里，機(jī)型與每座成本有關(guān)系，小飛機(jī)的每座成本要高于大飛機(jī)的每座成本。

宋楊[11]指出經(jīng)濟(jì)性是民機(jī)市場競爭性的核心指標(biāo)之一。在同等座級(jí)和航程的情況下，飛機(jī)的直接運(yùn)營成本越低，飛機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性就越好。航線運(yùn)營成本中，與飛機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)緊密相關(guān)的為燃油成本和維修成本。

尹國棟[12]指出支線飛機(jī)選型經(jīng)濟(jì)性的評(píng)估指標(biāo)包括座公里成本、燃油成本、座公里收入。

表1 常見機(jī)型雙發(fā)小時(shí)耗油率（kg/h）

表1為常見機(jī)型雙發(fā)小時(shí)耗油率。盧大偉[13]指出航線經(jīng)濟(jì)性主要體現(xiàn)在燃油經(jīng)濟(jì)性上，燃油成本占航空公司運(yùn)營成本的30%左右，新型飛機(jī)采用了更輕的材料，更節(jié)油的發(fā)動(dòng)機(jī)，每座公里的燃油成本更低。

2 國內(nèi)外民用飛機(jī)選型研究方法現(xiàn)狀

飛機(jī)選型方面存在著許多的選型方法。在現(xiàn)有的選型指標(biāo)確定的情況下，如何根據(jù)各類指標(biāo)科學(xué)的選擇所需要的機(jī)型，這是非常重要的。

在飛機(jī)選型方面演克武等[14]運(yùn)用灰色層次分析法，對(duì)機(jī)型適應(yīng)性的幾個(gè)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析。首先其建立層次指標(biāo)體系：技術(shù)性指標(biāo)（機(jī)場適應(yīng)性、航線性能等）、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（直接、間接成本）。先運(yùn)用層次分析法，得到相關(guān)上層元素的組合權(quán)重；再利用灰色評(píng)價(jià)法，對(duì)指標(biāo)層、準(zhǔn)則層進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)；最后按照最大原則確定受評(píng)對(duì)象的所屬等級(jí)數(shù)，同時(shí)求出綜合評(píng)價(jià)值，并參考灰類等級(jí)對(duì)受評(píng)對(duì)象系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

南京航空航天大學(xué)的王筱利[15]提出：采用層次分析效用理論對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)選型方案進(jìn)行評(píng)價(jià)。使用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重；對(duì)不確定性指標(biāo)利用模糊數(shù)學(xué)原理，進(jìn)行隸屬度量化，得到指標(biāo)效用矩陣。將評(píng)價(jià)指標(biāo)分為成本型和效益型，分別對(duì)其進(jìn)行規(guī)范處理。根據(jù)顧客對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的態(tài)度不同，計(jì)算不同指標(biāo)對(duì)應(yīng)的效用值及對(duì)應(yīng)總效用值，對(duì)各備選方案總效用值并進(jìn)行排序，其值越大，方案越優(yōu)。

葛瑞辰[16]提出：利用NSGAⅡ和灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS分析法進(jìn)行寬體客機(jī)系列化選項(xiàng)分析。使用NSGAⅡ以經(jīng)濟(jì)性、飛機(jī)性能為指標(biāo)，商載、航程為約束，對(duì)寬體客機(jī)進(jìn)行匹配性分析，得出滿足顧客需求的非劣解。對(duì)所得非劣解用灰色關(guān)聯(lián)TOPSIS算法對(duì)備選方案進(jìn)行排序，得出各方案的優(yōu)劣性。

為了使航空旅行需求與其飛行能力盡可能緊密地結(jié)合在一起，航空公司需要對(duì)機(jī)隊(duì)規(guī)劃過程和航線網(wǎng)絡(luò)布局采取適當(dāng)?shù)姆椒?。Slavica Do?i?,Milica Kali?[17]提出利用層次分析法(AHP)解決已知航路網(wǎng)絡(luò)的飛機(jī)選型問題，并對(duì)飛機(jī)出行需求進(jìn)行預(yù)測。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不同的指標(biāo)兩兩比較進(jìn)行了選擇性評(píng)級(jí)的靈敏度分析。通過改變成對(duì)比較矩陣中的一個(gè)元素(同時(shí)保持其他元素不變)，從而監(jiān)視飛機(jī)選型過程，從而實(shí)現(xiàn)可能的改進(jìn)。

Sabaghia[18]提出通過DOE與TOPSIS相結(jié)合的方法，對(duì)多個(gè)參數(shù)進(jìn)行考慮，得到飛機(jī)部件拆卸判別模型，并得出各部件的拆卸指標(biāo)的研究方法。該方法利用龐巴迪區(qū)域噴氣飛機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，得出所建立拆卸模型的可靠性。同時(shí)提出該模型在設(shè)計(jì)階段的適用性，對(duì)拆卸部件進(jìn)行壽命評(píng)估。這種研究方法同樣可以適用于飛機(jī)的選型評(píng)估。

褚雙磊[19]針對(duì)航空公司性能工程師的日常計(jì)算工作,設(shè)計(jì)并開發(fā)了一款飛機(jī)性能輔助計(jì)算軟件,實(shí)現(xiàn)性能工程師日常工作的快捷和簡便性計(jì)算,為性能選型提供幫助。并依據(jù)障礙物的遠(yuǎn)近對(duì)起飛性能進(jìn)行了障礙物安全評(píng)估[20]，在機(jī)場范圍內(nèi)，民用飛機(jī)越障能力至關(guān)重要。

3 民用飛機(jī)飛行性能選型指標(biāo)體系構(gòu)建

3.1 性能選型指標(biāo)體系

通過查詢和閱讀大量與飛機(jī)性能選型相關(guān)的文獻(xiàn)，收集了許多關(guān)于影響民用飛機(jī)選型的因素，將這些影響因素與航空公司的實(shí)際選型參考因素相結(jié)合，并進(jìn)行科學(xué)性、相關(guān)性、整體性分析，同時(shí)結(jié)合民航專家的意見，最終成功構(gòu)建初步的民用飛機(jī)飛行性能選型指標(biāo)體系模型，見圖1所示。

圖1 民用飛機(jī)性能選型指標(biāo)體系

民用飛機(jī)飛行性能優(yōu)劣度是指在一定運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行限制條件下，民用飛機(jī)以最優(yōu)異飛行性能工作的能力，是衡量民用飛機(jī)的飛行性能好壞的關(guān)鍵指標(biāo)，它是決定民用飛機(jī)氣動(dòng)效率、推進(jìn)性能和機(jī)型適應(yīng)性的重要物理量。

在機(jī)場適應(yīng)性方面，民用飛機(jī)起降性能體現(xiàn)在機(jī)場運(yùn)行的低速階段，主要與跑道的運(yùn)行參數(shù)有關(guān)。良好的起降性能主要為所需跑道長度較短，對(duì)于機(jī)場跑道條件依賴性較小，可以在較弱的跑道污染物覆蓋下起降。

在航線適應(yīng)性方面，業(yè)載和航程是民航飛機(jī)航線性能的兩個(gè)重要指標(biāo)，航空公司希望飛機(jī)飛得越遠(yuǎn)越好，可以通達(dá)城市越多，業(yè)載越大越好，客票收入越多，業(yè)載和航程是相互影響的兩個(gè)指標(biāo)。ETOPS決定了機(jī)型的越洋飛行能力，特殊運(yùn)行能力包括RVSM運(yùn)行，極地運(yùn)行，國際飛行，高原航線運(yùn)行等。

在航線經(jīng)濟(jì)性方面，主要是燃油成本和直接運(yùn)營成本，燃油成本和直接運(yùn)營成本低，航空公司盈利空間大，考慮旅客運(yùn)輸量時(shí)，則涉及座公里成本和座公里耗油，座公里成本是指航空公司運(yùn)送1個(gè)旅客飛行1公里帶來的成本。座公里耗油是指航空公司運(yùn)送1個(gè)旅客飛行1公里所消耗的燃油。

在發(fā)動(dòng)機(jī)匹配性方面，主要指發(fā)動(dòng)機(jī)性能，飛機(jī)的推力大小決定爬升梯度，爬升梯度越大，飛機(jī)的越障性能越好，發(fā)動(dòng)機(jī)推力越大，起飛距離變短，巡航速度增大。外界溫度增加超過平臺(tái)溫度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)推力減少，導(dǎo)致爬升梯度減少。

隨著航空公司飛機(jī)引進(jìn)和航線網(wǎng)絡(luò)布局工作的深入，飛機(jī)性能選型工作更加重要，迫切需要形成性能選型指標(biāo)體系，對(duì)民用飛機(jī)性能選型進(jìn)行評(píng)估，完善飛機(jī)性能選型工作。

3.2 利用層次分析法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算

采用層次分析模型對(duì)飛機(jī)飛行性能進(jìn)行選型評(píng)估。首先采用專家打分法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立了三層次（目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層）的飛機(jī)飛行性能的層次分析模型。我們邀請(qǐng)幾位行業(yè)內(nèi)的專家對(duì)所建立的指標(biāo)體系進(jìn)行重要性評(píng)價(jià)，得到了各層次的專家評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。使用AHP確定每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，用兩兩比較法構(gòu)造比較矩陣，再按重要程度構(gòu)造判斷矩陣。根據(jù)判斷矩陣求出特征向量，歸一化作為權(quán)重值Wi，并對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。根據(jù)AHP計(jì)算準(zhǔn)則層、指標(biāo)層權(quán)重，并進(jìn)行絕對(duì)權(quán)重排序，其結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)論

本文構(gòu)建了飛機(jī)性能選型的遞階層次結(jié)構(gòu)模型，包含機(jī)場適應(yīng)性、航線適應(yīng)性、航線經(jīng)濟(jì)型、發(fā)動(dòng)機(jī)性能四個(gè)一級(jí)指標(biāo)，若干個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

提出了基于層次分析法的飛機(jī)性能選型指標(biāo)權(quán)重大小排序，得出對(duì)飛機(jī)性能選型影響較大的因素為發(fā)動(dòng)機(jī)推重比、直接運(yùn)行成本、座公里成本、小時(shí)耗油、單發(fā)推力5個(gè)因素。

隨著新型民用飛機(jī)機(jī)型的投入使用和新航行技術(shù)的發(fā)展，性能選型工作越來越復(fù)雜，民機(jī)新技術(shù)也將成為考慮重點(diǎn)，性能指標(biāo)體系將不斷完善，更加貼近公司運(yùn)行實(shí)際情況，更好地對(duì)性能選型進(jìn)行綜合評(píng)估。

表2 飛機(jī)性能選型指標(biāo)體系權(quán)重大小及排序