民机运行效能评价指标体系研究

桂 荔，陈红英，林兰之

（中国民用航空飞行学院飞行技术学院，四川 德阳618000）

近年来，中国民航业蓬勃发展，机场运行规模持续扩大，至2019年，十年来全国机场年旅客吞吐量和货邮吞吐量分别增长207%和90%，机场数量和航班起降量的大幅度增加，对民航业的运行效能提出了高要求。国内外学者研究了民航业不同领域运行效能的评估方法，如终端区空管运行效能[1]、航班过站地面保障运行效能[2]、机场安全运行保障能力[3]等，但是专门就航空器运行效能开展的系统性研究较少，且体系内指标覆盖面也相对狭窄。

飞机运行效能是指飞机在航线运行中表现出的综合运行能力。运行效能偏低的机型，虽然能满足一般条件的运行要求，但是航空公司放行率、航线覆盖能力、航班正常率等均会受到影响，导致商载偏低、飞机油耗较高等问题，同时还增加了航空公司的运行成本，降低了收益，对飞机的市场竞争力产生不利影响。有效评估飞机的运行能力，构建合理的运行效能评估体系，将有利于发现并补齐飞机运行能力的短板，提出针对性的可实施建议，持续改进其运行效能，提升市场竞争力。

1 民机运行效能影响因素分析

飞机运行效能受多个因素影响，安全是一切评价体系构建的基石。在保证安全性的前提下，运行效能更应侧重在经济性、适应性和性能裕度等方面。

1.1 经济性

民用飞机的使用经济性是决定其能否在激烈的市场竞争中存活的首要影响因素，飞机使用经济性的评价是对其经济效率的综合评估，经济效率是指成本输入和收益产出之间的对比关系。航空公司的运营成本包括直接运营成本和间接运营成本，其中与飞机本身运营直接相关的是直接运营成本DOC（Direct Operating Cost），因此分析飞机使用经济性时的成本部分主要考虑直接运营成本。直接运营成本是指使用一架飞机时所产生的费用，所含范围较广，国内、欧洲和美国DOC的分类及计算方法存在差别[4]。运行收益主要来自运输旅客和货物带来的收益以及运输逾重行李的收入[5]。

1.2 适应性

飞机实际运行受外部环境影响，不同机型的运行环境适应性有差异，通常航空公司对标目标市场，对飞机适应能力有不同的要求。飞机的适应性主要体现在对机场起降环境和航线的适应性，这些与安全性和经济性相关联，是航空公司实际运营中关心的竞争因素。

1.2.1 机场运行适应性

飞机在起降过程中受到多种因素影响，如机场标高、机场外部气温、跑道长度、跑道坡度、道面情况及风速风向等。

风速风向发生变化飞机起飞滑跑距离和着陆滑跑距离会相应改变，顺风时飞机所需滑跑距离增长，而逆风下所需滑跑距离减小，从而进一步影响飞机最大起飞质量和起飞时的业载，因此在飞机的飞行手册中明确限制了顺逆风风量和侧风风量的最大值。

气压高度和外部温度影响发动机性能和飞机的气动性能，温度过高或机场标高增加，发动机的可用推力减小。此外，高温容易增加飞机系统的故障率，低温则容易导致飞机结构方面能力下降，也增加了系统启动的难度。飞机环境包线则给出了飞机运行的高度和温度限制范围，可以反映飞机对外界环境的适应性。特别是在高原机场运行时，高原机场海拔高，空气密度小、外部温度相对较低，必须检查是否满足环境包线的限制要求。

在湿跑道和污染跑道上起飞和着陆，飞机冲出跑道的危险性大大增加，通过研究湿跑道飞机着陆轮胎、水膜和道面的相互作用，发现水膜厚度、行驶速度和轮胎沟槽厚度是影响动水压强的主要因素[6]。道面污染物比如常见的融雪，使轮胎与地面的摩擦系数显著减小，同时还会与飞机相互作用发生喷溅，影响起飞着陆性能，甚至损坏飞机的机械结构和发动机装置，而影响其作用效果的因素复杂，诸如跑道道面状况、飞机轮胎特性、风向风速、飞机重心位置和发动机构型等。

不同飞机的噪声水平存在差异，飞机作为机场噪声的主要来源，在执行飞行任务和地面维护测试过程中均会产生噪声，尤其是运动中的飞机，在离场、进场和进近阶段噪声影响显著。

1.2.2 航线适应性

航线适应性考虑高原航线的适应性和航线航程适应性。现代商业运输机性能普遍优越，能够适应大多数复杂运行环境，但在特殊环境运行时性能存在一定程度的差异。在执行高原航线时航路地形复杂、航路安全高度高，一旦出现客舱释压后所需供氧时间长，对飞机的供氧能力提出了高要求，因此飞机的供氧能力是航线适应性的一个体现，在航路任意一点发生座舱释压后，飞机的供氧量要能满足法规要求。

航线航程适应性即飞机的延程能力，主要体现在长航程航行中。随着人民生活水平的提高，洲际航行快速发展，洲际航线大部分需要跨洋飞行，可供备降场较少，飞机在执行远航程航班任务时航程适应性的重要性日益增加。FAA提出的延程飞行（ETOPS），可实现跨洋直飞，具有延程飞行能力的飞机意味着具有更高的经济性、安全性和可靠性。

1.3 性能裕度

在性能裕度方面，主要考虑一发失效能力，包括起飞一发失效的爬升能力和航路一发失效的飘降能力。随着航空科技发展，发动机可靠性提高，空中停车率大幅下降，但发动机失效仍然偶有发生。起飞一发失效时，发动机推力减小、飞机阻力和发动机阻力增大导致爬升梯度减小。

执行复杂航线如高原山区航线飞行任务的飞机，在航路巡航中一台发动机失效后，在飘降阶段地形及障碍物会对其飞行安全构成威胁，因此，必须进行飞机飘降性能分析。

2 评价指标体系构建

民机运行效能评估体系通过加权综合民机各运行效能指标参数，形成一个统一的民机运行效能系统，更直观和更便利地表述和对比飞机的运行效能。首先是构建民用飞机运行效能指标体系，主要从经济性，适应性，性能裕度这三方面来构建民用飞机运行效能指标体系，具体如图1所示。

图1 民机运行效能评估体系

2.1 经济性指标

2.1.1 直接运营成本

考虑飞机实际运营环境，在历史数据的基础上，计算某一机型的DOC大小。直接运营成本由两大类成本即所有权成本和现金成本组成。所有权成本发生在飞机的购买阶段，包含折旧费、利息和保险费。评估飞机运行效能时现金成本主要考虑占比较大的燃油费用和维修费用。利用现有DOC计算模型得出一定海里数下各项费用的轮档小时成本。

2.1.2 航线运输总收入

航线运输总收入如下式所示[5]：

式（1）中：DOR为航线运输总收入；RP为运输旅客收入；RFM为运输货邮收入；RB为运输逾重行李收入。

2.2 适应性指标

2.2.1 最大起降高度、最高大气温度和标高对业载的影响率

利用飞行高度和环境温度包线可确定飞机起降的高度范围和温度范围，最大起降高度和最高大气温度指标反映起飞和着陆过程中不同机型受机场标高和温度的影响。此外，不同气温和标高下，飞机的最大起飞质量发生改变，可通过标高对业载的影响率衡量影响程度的大小[7]。

2.2.2 湿跑道和污染跑道着陆距离增加百分比

在相同情况下比较同等质量飞机在干跑道上和在湿跑道及污染跑道着陆距离和着陆滑跑距离的差距，计算湿跑道和污染跑道着陆距离增加百分比。

2.2.3 最大载重时ACN值

飞机的ACN（Aircraft Classification Number）值的大小表示飞机对具有规定土基强度的道面相对影响的数值。

2.2.4 起飞风速限制和着陆风速限制

飞行手册中规定的起飞和着陆时顺风、逆风和侧风风量限制体现飞机在有风条件下飞机的适应性。

2.2.5 单事件噪声评价指标

单事件噪声评价指标用来衡量单次飞行事件时飞机噪声对地面影响，可分为两类，国际上常用的包括基于响度的声暴露级（SEL）、A声级（LA）、最大A声级（LAmax）以及基于噪度的最大感觉噪声级（PNLmax）、有效感觉噪声级（EPNL）。选用统一的单事件噪声评价指标，比较不同机型一定距离范围内噪声等值线分布。

2.2.6 供氧能力

飞机应急下降时供氧主要受旅客供氧限制，尤其对于航路安全高度较高的航线，因无法下降到较低高度，需在满足越障要求的较高高度飞行至目的机场或者备降场，所需供氧时间长。依据具体机型的氧气系统和应急下降程序分析座舱失压下飞机在多个高度的供氧时间，由此判断飞机高原航路适应性。

2.2.7 ETOPS最大改航时间

发动机可靠性增加，在航线任意一点上飞机单发飞往备降场的限制时间逐渐延长，目前飞机申请的ETOPS最大改航时间主要有75 min、120 min和180 min及以上，ETOPS最大改航时间越长表明飞机与最近备降机场的距离可以更远，可用备降场数量增加，进一步拓展了飞机的运行范围，因此机型跨洋航线适应性更强。

2.3 性能裕度

2.3.1 一发失效爬升梯度

爬升梯度等于爬升高度和对应水平距离的比值，爬升梯度的大小体现了飞机的越障能力。为确保安全性，中国民航适航标准CCAR-25部规定了飞机在关键发动机失效后起飞航迹各个阶段的爬升梯度要求。可由发动机推力、飞机质量、升阻比和加速因子计算得出单发失效后飞机的爬升梯度[8]。

2.3.2 一发失效飘降能力

飞机在航路巡航飞行时，一台发动机出现失效时，为了维持合适的巡航速度需下降到一个较低的高度飞行，能够改平飞行的最大高度即为飘降升限，且要保证能够安全越障，分析飞机以有利速度飘降时的飘降升限，飘降升限越高，越障越安全，航线适应性也就越好。

3 结束语

建立科学、全面的飞机运行能力评价体系是准确评估飞机运行效能的前提。飞机的运行效能受多个因素影响，不同因素间存在关联。通过理清飞机性能的影响因素，总结出能够反映飞机运行效能的指标，建立了飞机运行效能评价指标体系，为下一步飞机运行效能评估方法的深入研究打好基础。