投稿到民航资源网

CCO/CDO程序在我国的发展与应用研究

 2022-05-12 11:28:42 来源:民航资源网 作者:马江涛  [投稿排行榜]

分享

      民航资源网2022年5月12日消息:2020年我国民航全年完成运输总周转量798.5亿吨公里、旅客运输量4.2亿人次、货邮运输量676.6万吨,其中,旅客运输量已连续15年稳居世界第二。相较于疫情前,民航发展迅速,航班量持续增长(详见表一),有效促进经济发展,但也带来了一些负面影响,如增加燃油消耗、废气排放、人员工作负荷等。因此,研究新的航空器运行程序、优化技术手段显得势在必行。

      表一近年我国民航运输量对比

      连续爬升运行CCO(Continuous Climb Operations)与连续下降运行CDO(Continuous Descent Operations)作为一种新的航行技术,能够减少碳排放、提高经济性、降低噪音、提升运行效率、减缓管制员和飞行员工作负荷等,目前在我国广州白云国际机场、北京首都国际机场、上海浦东国际机场、昆明长水国际机场、西安咸阳国际机场、乌鲁木齐地窝堡国际机场、长春龙嘉国际机场投入使用。

      CCO/CDO程序

      CCO/CDO程序是在优化空域管理和飞行程序设计的基础上,结合空中交通管制措施、飞行操作方法实现航空器连续爬升或下降的一种运行方式。

      CCO运行期间,离场航空器利用最佳爬升发动机推力,尽可能不受限制地连续爬升到巡航高度。理想情况下,离场航空器从起飞开始至初始巡航高度的连续爬升运行能够获得最大效益。实际运行中,由于空中其他航空器活动、空域限制、天气状况等因素影响,离场航空器整个起飞过程中连续爬升可能会受到限制,特别是在没有实现进离场分离的空域,但实施阶段性、局部性的连续爬升也能获得一定运行效益。

      图1航空器连续爬升与传统爬升方式示意图

      CDO运行期间,进场航空器在到达最后进近定位点或最后进近点之前,尽量延长高高度飞行时间,在下降顶点(TOD)之后利用最小发动机推力(最优状况为收完油门),以一种低阻力构型连续下降。理想情况下,航空器在航路或进场阶段尽可能从最高的高度层开始连续下降,可以最大限度减少燃油消耗、噪音污染、废气排放。实际运行中,受空中交通活动、空域、天气等因素影响,管制员可能会在航空器实施CDO过程中进行人工干预,如通过雷达引导、改变航向、调整高度为进场航空器配备合适的水平或垂直间隔,实施阶段性、局部性连续下降同样能取得一定运行效益。

      图2航空器连续下降与传统下降方式示意图

      CDO与CDA、CDFA差异

      CDO程序在研究早期主要体现为连续下降进近CDA(Continuous Descent Approach),也称固定下滑角进近。它是航空器从起始下降点开始,以指定的下降梯度,连续下降到跑道入口上空15米或着陆前开始改平处,中间没有平飞航段。与传统梯度下降的进近方式相比,CDA具有以下优势:

      (1)优化飞行操作,提高运行安全;

      (2)提升飞行员情景意识,减轻操作负荷;

      (3)减少所需的管制指令,减轻管制员工作负荷;

      (4)有助于飞行员建立目视参考;

      (5)降低燃油消耗、减少废气排放、缓解噪音污染、减轻发动机损耗。

      连续下降最后进近CDFA(Continuous Descent Final Approach)是关于CDO的一种探索,属于航空器在最后进近过程中对CDO的应用。它引导航空器在非精密仪表进近最后阶段实现连续下降,从高于或等于最后进近定位点高度或高下降到高于着陆跑道入口大约15米(50英尺)的点或者到该机型开始拉平操作的点,是一种与稳定进近相关的飞行技术。

      使用CDFA技术进近时,为确保航空器复飞过程中不低于公布的最低下降高度/高,由运营人确定在公布的最低下降高度/高以上的特定决断高度/高DDA/H。当航空器下降至此高度/高时,如果不具备着陆条件,飞行员应进行复飞。

      图3  CDFA示意图

      CDFA技术适用于一些公布垂直下降梯度或下滑角度的非精密进近程序,包括VOR、VOR/DME、NDB、NDB/DME、LOC、LOC/DME、GNSS,在国外运行时,还包括LOC-BC、LDA、LDA/DME、SDF、SDF/DME等。相对于航空器在到达最低下降高度/高前快速下降的大梯度下降进近技术,CDFA技术具有下述优势:

      (1)降低安全风险;

      (2)减少大推力状态下的低高度平飞时间,提高燃油效率、降低噪音;

      (3)能够与气压垂直导航(baro-VNAV)进近程序相整合;

      (4)减少航空器在最后进近航段中低于超障裕度的可能性;

      (5)容易使飞行员获得所需的目视参考;

      (6)提高飞行员情景意识,减轻工作负荷。

      综上,CDO、CDA与CDFA的主要区别在于CDO主要强调进场航空器从下降顶点TOD开始,到达最后进近定位点或最后进近点之前的一种连续下降运行程序,重点在进场阶段,之后航空器衔接到常规ILS进近、RNP进近或其他进近程序。CDA是航空器从起始下降点开始,以指定的下降梯度,连续下降到跑道入口上空15米或着陆前开始改平处,包含进场阶段和进近阶段。CDFA是使进场航空器在非精密仪表进近程序最后阶段实现连续下降,属于一种非精密进近方式。

      CCO/CDO与传统程序和RNAV程序差异

      CCO/CDO是在传统程序和RNAV程序基础上,为了满足民航发展要求由波音公司与麻省理工大学科研团队、国际民航组织ICAO提出的一种新的航空器爬升、下降运行方式,与我国各管制单位现使用的传统程序和RNAV程序存在相似性,但也有一些明显差异,主要体现在:

      (1)空域规划差异

      CCO/CDO运行时为减少航空器交叉穿越高度,相关空域通常采用进离场分离且航空器上升和下降交叉影响小。因此,部分机场终端管制区只有个别进离场航线具有CCO/CDO程序,并非所有进离场航路、航线均有。

      传统程序和RNAV程序对空域规划无此要求。

      (2)程序设计差异

      CCO/CDO程序不仅需要满足PBN程序设计的全部技术标准,还要符合空域结构要求、管制调配预案、流量密度、进离场排序、气象条件、航空器性能限制。

      (3)运行理念差异

      当前由于航班流量较大,部分大型机场推行“管制调配为主、执行程序为辅”的运行理念,对于执行程序的航空器推行“遵循水平航迹、管控垂直升降”理念。CCO/CDO程序倡导的是“执行程序为主、管制调配为辅”和“遵循飞行程序、管控速度调整”理念。

      运行理念不同,导致实际指挥中管制员使用的策略、方法有所差异。

      (4)使用环境差异

      运行CCO/CDO程序时,空管单位基于安全和效率会对机场飞行流量设定限制,如我国首都国际机场、广州白云国际机场、西安咸阳国际机场等均要求终端管制区一小时预计航班流量不得超过25架次。

      运行传统程序和RNAV程序时,终端管制区飞行流量需满足机场运行规定与容量评估要求,各机场有所差异。

      (5)硬件设备差异

      为了确保CCO/CDO运行顺畅,对空管通信、导航、监视设备和航空器机载设备都提出了一些要求,主要有甚高频通信与雷达监视情况良好、能够实施雷达管制、跑道仪表着陆系统ILS工作正常、航空器具备RNAV1或RNP1能力、FMC/FMGC具备LNAV与VNAV功能。

      运行传统程序时,空管设备需满足机场运行规定,不要求航空器必须具有RNAV或RNP能力。

      (6)实施操作差异

      为了确保遵循所有的CCO/CDO程序限制,对于空客飞机,飞行员应尽量使用管理模式;对于波音飞机,飞行员应尽量使用垂直导航模式下降或爬升。

      按照CCO程序飞行时,飞行员借助根据航空器性能得到优化了的飞行剖面尽快爬升至巡航高度。按照CDO程序飞行时,飞行员通常会尽量保持高高度飞行,到达飞行管理计算机(FMC/FMGC)提示的下降顶点TOD后才开始根据管制员指定的目标高度慢车连续下降,并向管制员报告“开始下降”或者至少在到达下降顶点前1分钟,主动向管制员申请下降高度。

      航空器运行传统程序和RNAV程序时,要求飞行员严格按照管制员的管制指令操作即可,而运行CCO/CDO程序时要求管制员以速度指令为主、避免使用高度和航向指令调配航空器间隔,在一定程度上影响了管制指挥灵活性。

      理论效能探究

      CCO是航空器按照仪表飞行程序要求,根据航行风、载重、机型性能进行全推力或减推力起飞、减推力爬升等不同飞行状态组合,运行效能主要体现在离场航空器通过沿着没有中间平飞航段的最优爬升航径连续爬升和缩短航空器爬升至巡航高度的飞行距离两种途径减少燃油消耗。

      根据ICAO颁布的连续爬升运行CCO手册DOC9993可知,基本的连续爬升运行模式爬升梯度为30~300m/nm,即1.62%~16.2%。爬升梯度差异导致离场航空器爬升至巡航高度的飞行距离不同,各机场航空器平均爬升梯度受航空器重量、机型、机翼位置、发动机数量、功率大小、风向、风速、温度、气压、机场标高多个因素影响。

      离场航空器运行CCO过程中,发动机处于爬升状态,最终从爬升改为平飞过程也与巡航高度有关。航空器巡航高度不同,运行效能有所差异。我国研究人员基于青岛机场标准离场程序将传统离场爬升梯度设置为不超过4%,选取连续爬升运行梯度为10%,并根据航空器快速数据存取记录器QAR数据,建模仿真得到CCO燃油消耗量理论值,将其与传统离场爬升燃油消耗计算值进行对比,如图4所示。

      图4航空器连续爬升运行与传统离场爬升燃油消耗计算值对比

      图5运行CDO与梯级下降燃油消耗率对比图

      航空器在终端管制区运行CDO过程中,发动机处于闲置(Idle)状态,燃油消耗率较低。当航空器按梯级下降程序平飞时,发动机处于巡航(Cruise)状态,此时飞行高度低,发动机燃油消耗率相对较高。美国普渡大学Yi Ca、Tatsuya Kotegawa等人与美国联邦航空局FAA系统分析办公室Joseph Post应用FACET(Future ATM Concept Evaluation Tool)对运行CDO和梯级下降程序的剖面轨迹与燃油消耗率进行模拟仿真,首先根据机型、速度计算出每架进场航空器下降顶点TOD(Top of Decent)位置,当航空器到达下降顶点TOD时,开始以连续3°的下滑角下降,下降过程中燃油消耗率随着高度下降变化。梯级下降程序中包括两个平飞航段,分别在距离跑道20~30海里、35~45海里处,航空器进场高度和CDO开始运行高度一致,仿真对比结果如图5所示。

      此外,如今民航发展和城市建设加快,机场距离城市生活区越来越近,航空器运行噪音备受关注。CCO/CDO程序还可有效降低航空器噪音,特别是午夜至凌晨之间,进离场航空器相对较少,外界环境比较安静,采用CCO/CDO运行能够显著降低噪音污染。

      实例分析

      本文以西安咸阳国际机场为例对CCO/CDO程序进行运行分析。

      2019年8月22日,成立西安咸阳国际机场CCO/CDO运行工作组。2019年9月26日,完成CCO/CDO运行初步方案。2019年12月27日,长安航空公司使用B737-800飞机在咸阳机场开展实地验证飞行。2020年4月23日咸阳机场CCO/CDO运行资料生效。

      根据西安终端空域结构和航班流量确定在咸阳机场05L/05R跑道洛川WJC方向离场运行CCORNAV程序(05L跑道为WJC-1Z程序、05R跑道为WJC-1Y程序),在05L/05R跑道罗尔塬LOVRA方向进场运行CDORNAV程序(LOVRA-1Z程序)。

      (一)WJC方向离场CCO飞行程序

      1.05L跑道:离场航空器起飞通过650米后直飞XY410,保持1300米以上过XY410点,之后依次直飞MIZ、WJC,并爬升至6300米,通过5700米时由终端管制室向区域管制中心移交。

      2.05R跑道:离场航空器起飞保持一边,过XY510点高度在1300米以上、过XY420点高度在1600米以上,之后依次直飞MIZ、WJC,并爬升至6300米,通过5700米时由进近管制室向区域管制中心移交。

      (二)LOVRA方向进场CDO飞行程序

      05L/05R跑道:区域管制中心将从LOVRA进场的航空器向进近管制室移交,进场航空器沿LOVRA-1Z程序在TOD开始连续下降至2400米过IAF点后加入05L/05R跑道进近程序。

      根据飞机重量、大气温度、气象数据,经实地验证飞行和统计评估,西安咸阳国际机场实施CCO/CDO程序运行能在一定程度上节约航空器燃油消耗、降低噪音污染、减少废气排放:

      (1)离场航空器采用CCO经济速度爬升到8100米飞至洛川WJC,可以节约燃油300公斤左右(约30%)、减少碳排放量约945公斤。

      (2)进场航空器保持6000米通过LOVRA,在TOD开始连续下降至起始进近定位点IAF,可以节约燃油150公斤至200公斤左右(约30%~40%)、减少碳排放量约472.5公斤至630公斤。

      西安咸阳国际机场CCO/CDO程序正式启用后,整体运行正常,取得了一定成效,但主要受到25架次航班流量限制,CCO/CDO程序使用效率有待进一步提高,且多数由管制员主动发起,机组提出申请较少。

      总结

      CCO/CDO程序是一种新的航行技术,具有节能减排、降低噪音、延缓发动机损耗、提高乘客舒适性、提升运行效率与安全、减轻管制员和飞行员工作负荷等一系列优势,但由于空域结构、航班流量限制、气象条件影响以及CDO/CCO程序运行要求,很难实现机场整个终端管制区全面、全天候、无限制应用,导致CDO/CCO程序的效能未能充分发挥。各机场结合实际,研究如何进一步提升使用率是当前推行CDO/CCO程序的工作重点之一。

    0荐闻榜

    延伸阅读: