民用飞机试飞燃油消耗率影响因素实证研究_王文泰.pdf

收稿日期:2023 01 12;修订日期:2023 02 06作者简介:王文泰(1986)，男，硕士，工程师，研究方向:民机试飞运行控制。第 41 卷第 1 期2023 年 2 月江西科学JIANGXISCIENCEVol 41 No 1Feb 2023doi:1013990/j issn1001 3679 202301026民用飞机试飞燃油消耗率影响因素实证研究王文泰(中国商飞公司民用飞机试飞中心，200436，上海)摘要:研究了某型号民航飞机在试飞过程中燃油消耗率的影响因素，并利用拟合回归分析建立相应数学模型。通过对参数及模型的优化，得出了民机试飞燃油消耗率与起飞风速、起落架收放、装载重量等因素呈正相关，与着陆风速、起飞重心、飞行时间等因素呈负相关的结论。将优化后的模型应用在同一机型不同架机的试飞数据上，模型预估的燃油消耗率与实际燃油消耗率相差较小，进一步验证了模型及结论的有效性。关键词:民机试飞;燃油消耗率;拟合回归分析;参数优化中图分类号:V323文献标识码:A文章编号:1001 3679(2023)01 148 05An Empirical Study on the Influencing Factors ofFuel Consumption ate in Civil Aircraft Flight TestWANG Wentai(COMAC Civil Aircraft Flight Test Center，200436，Shanghai，PC)Abstract:This paper studies the influencing factors of fuel consumption rate of a certain type of civilaviation aircraft during flight test，and establish a mathematical model Through the optimization ofparameters and models，it is concluded that the fuel consumption rate of civil aircraft flight test ispositively correlated with takeoff wind speed，landing gear retraction，loading weight and other fac-tors，and negatively correlated with landing wind speed，takeoff center of gravity，flight time andother factors The optimized model is applied to the flight test data of different aircrafts of the samemodel，and the difference between the predicted fuel consumption rate of the model and the actualfuel consumption rate is small，which further verifies the validity of the model and conclusionsKey words:civil aircraft flight test;fuel consumption rate;fitting regression analysis;parameter op-timization0引言乘坐飞机出行已经成为人们最高效便捷的交通方式之一，在航空公司的运营中，燃油消耗已经占到了运营成本很大的比例，据相关统计数据显示，燃油消耗会占运营支出成本的 40%左右。在油价高涨和节能减排观念逐渐深入人心的今天，降低航油消耗不仅能给航空公司带来巨大的经济收益，提升公司的市场竞争力，更能帮我们守护头顶的一片蓝天。由于上述原因，国内航空公司均采用各种措施来提高燃油效率，减少燃油成本。同时，飞机燃油消耗情况的异常改变，直接与飞机的故障相连，因此监控飞机的燃油消耗率也是对飞机状态进行监控的重要一环1。目前学术界对民航航班飞机的燃油消耗率及其影响因素已进行了较为全面的研究。张伟2 通过分析民航航班起飞、爬升、巡航、下降和进近着陆各阶段的燃油消耗，以及影响燃油消耗的因素，给出了经济飞行的节油策略和建议。曹惠玲等1 以 B777 200 飞机航班 QA(飞行快速存取记录器)数据为研究对象，应用灰色关联分析和相关系数方法，对爬升阶段油耗影响参数进行优化，从而建立燃油流量监控模型。孔令真等3 以某航空公司固定机型 A320 北京至大阪航线近一年飞行数据为样本进行分析，得出高度差、距离差、航路风差、温度差、时间差均不同程度影响燃油偏差的结论。因此，本文的整体思路是，探索将民航航班飞机燃油消耗率的研究方法应用在民机试飞上的可行性。目的是从试飞签派人员的角度出发，研究某型号民航飞机在试飞过程中燃油消耗率的影响因素，并建立数学模型。1研究方法及变量选取通过查阅各类相关文献，发现在对民机燃油消耗率建立模型时，变量选取大体上可被归类为3 种类型。1)飞机本体因素，主要包括机型、机龄、机翼面积、机翼重量、发动机相关参数等4。2)飞行宏观因素，主要包括空机重量、装载重量、重心位置、巡航高度、巡航速度(指示空速、马赫数等)、航路风速、航路温度、航路距离、飞行时间等3 4。3)飞行微观因素，主要包括发动机排气温度、压气机进口压力、压气机进口温度、襟翼角度、俯仰角、油门杆角度等1，5。对于航空签派人员来说，飞机本体因素为不可改变因素，飞行微观因素需要通过 QA 数据获得，虽然可以建立较为细致的模型，但对于民机试飞来说，上述数据多为事后获得，对签派人员预估飞机燃油消耗率没有帮助。因此，本文将从飞行宏观因素中选取变量。同时，由于民机试飞飞行与航班飞行不同，没有固定航路，因此没有固定的航路风速、航路温度和航路距离。综合以上原因，本文初步选取了 13个变量，使用线性回归分析及拟合的方法，来建立模型 1(式(1):Y=C+A1X1+A2X2+A13X13(1)表 1模型 1 自变量选取详解变量回归系数变量名变量符号类型取值范围单位因变量燃油消耗率Y定量变量3 100 1 900kg/h自变量起飞地面风速X1定量变量12 12逆风为正，顺风为负m/s着陆地面风速X2定量变量13 12逆风为正，顺风为负m/s起飞地面温度X3定量变量35 10最高平飞高度X4定量变量12 131 457m最低平飞高度X5定量变量12 131 457m最高平飞速度X6定量变量648 278km/h最低平飞速度X7定量变量648 278km/h爬升段数X8定量变量4 1无下降段数X9定量变量4 1无起落架收放X10定性变量1 是 0 否无装载重量X11定量变量7 000 27 000kg起飞重心X12定量变量35 16%飞行时间X13定量变量7 0 5h表格中的变量均为签派人员易于获取且易于处理的数据。其中“起落架收放”是表示试飞过程中是否放下起落架的变量。“爬升段数”与“下降段数”是考虑到民机试飞会相对较频繁地改变飞行高度而增加的变量，除起飞与下降均按“1段”计算外，飞行过程中飞行高度每改变 3 048 m(10 000 英尺)记为 1 段，可以有小数。2回归分析2 1模型 1 的回归分析根据上述变量，作者采集了某型号某架机20212022 年共计 200 架次的试飞数据，使用EViews 软件进行回归分析，得到结果如表 2。模型通过了 F 检验，方与修正 方值在可接受范围内。考虑到选取的变量数较多，可能会存在自变量之间序列自相关情况，应着重关注回归结果的 D W 值(德宾 沃森检验)。通过查表可得，在自变量数为13、样本数为100 的条件下，D W 值上界(dU)为1841，下界(dL)为1270，而模型 1 的 D W 值在此范围内，说明不存在序列自相关情况。另一方面，变量 X8 X13(爬升/下降段数，起落架收放，起飞重心，飞行时间)均显著，其余变量均不够显著，起飞/着陆风速变量非常不显著，与理论及经验不符，因此需要进行参数及模型的优化。941第 1 期王文泰:民用飞机试飞燃油消耗率影响因素实证研究表 2模型 1 回归分析结果相关系数Prob 方值修正 方值F检验D W检验X12554 70 633 8X21362 50 755 6X30346 8 0 834 4X40013 5 0 223 1X50016 1 0 256 9X60198 80 402 6X70329 50 316 9X882702 30 021 4X966165 9 0 003 1X10185232 0 0 000 0X110021 40 000 0X1214966 9 0 006 8X1343109 9 0 005 8C 2367543 0 0 000 00 560 9 0 494 6Prob0 000 01694 42 2模型修正及对模型 2 的回归分析对起飞/着陆风速取绝对值，即只考虑风速不再考虑风向。剔除不显著的自变量 X5(最低平飞高度)、自变量 X6(最高平飞速度);参考民航相关研究结论“夏季航班燃油消耗率会相对增加”6，把起飞地面温度设置为一个区间而不是具体值后，建立模型 2(式(2)如下:Y=C+A1X1+A2X2+A11X11(2)表 3模型 2 自变量选取详解变量回归系数变量名变量符号类型取值范围单位因变量燃油消耗率Y定量变量3 100 1 900kg/h自变量起飞风速X1定量变量0 12m/s着陆风速X2定量变量0 12m/s季节温度X3定性变量是否超过 22 1 是 0 否无最高平飞高度X4定量变量12 131 457m最低平飞速度X5定量变量648 278km/h爬升段数X6定量变量4 1无下降段数X7定量变量4 1无起落架收放X8定性变量1 是 0 否无装载重量X9定量变量7 000 27 000kg起飞重心X10定量变量35 16%飞行时间X11定量变量7 0 5h对新模型再次进行回归分析，得到结果如表4。表 4模型 2 回归分析结果相关系数Prob 方值修正 方值F检验D W检验X112073 50159 5X212580 4 0082 6X336104 50300 5X40021 7 0021 1X50401 70188 6X6113490 7 0000 8X754761 1 0013 5X8182755 5 0000 0X90020 00000 0X1017087 8 0001 6X1128764 9 0066 3C 2376562 0 0000 00564 7 0510 3Prob0000 01697 1模型通过了 F 检验，方值和修正 方值有所提高。通过查表可得，在自变量数为 11、样本数为 100 的条件下，D W 值上界(dU)为 1 790，下界(dL)为 1 314，而模型 2 的 D W 值在此范围内，说明不存在序列自相关情况。对风速取绝对值后，起风/着陆风速显著性大幅增加，显示起飞风速增加会增加燃油消耗率，着陆风速增加会降低燃油消耗率。将温度变量改为“季节温度”后显著性大幅提高，显示起飞时地面温度高于 22 的飞行燃油消耗率会有所增加。其余变量均显著，且回归系数的正负值均与经验相符。3模型运用3 1对“一般试飞架次”的燃油消耗数据进行“预测”将模型 2 的回归结果应用到同一型号另一架机的试飞数据上，并剔除有发动机空中起动相关试验点的架次，将剩余架次视为“一般试飞架次”。将模型“预测”的燃油消耗率与实际燃油消耗率进行比对，从而检验模型的准确与实用性。本文采集了同型号另一架机 2022 年共 60 架次的“一般试飞架次”试飞数据，使用上述方法进行“预测”及对比，得到结果如表 5。表 5模型 2 预测燃油消耗率与实际燃油消耗率对比平均