ARJ21飞行操作节油策略研究

——中国民用航空飞行学院 张恒 丛紫锋 钱宇

上海飞机客户服务有限公司 林熙颢

摘要：针对降低航空公司燃油成本的问题，以国产民机ARJ21飞机为研究对象，对比滑行、起飞、爬升、巡航、下降、等待、进近及着陆等阶段，不同飞行操作策略下的燃油消耗分析。结果表明，制定并实施了一系列有效的飞行操作节油策略，可降低ARJ21飞机的燃油消耗，提高飞行效率，降低运营成本。研究可为飞行员节油操纵和航空公司精细化运行提供支持，降低ARJ21飞机运行油耗，提升国产民机竞争力。

关键词：ARJ21飞机；飞行操作；国产民机；节油策略。

PART 01

引言

航空燃油，作为航空公司主要的运营成本之一，其价格走势与国际原油紧密相关，近年来呈上升趋势的燃油价格，显著增加了航空公司的运营成本。

目前，在民航节油方面的研究，付令^[1]进行了全面的现状调查，并在技术和管理体系上进行设计，取得了明显的节油成效。李宜^[2]提出了飞机地面和空中节油可控点，并设计节油飞行分析子系统。曾丽辉等^[3]通过QAR燃油监控模型，提出地面运行和空中飞行的节油策略。梁桥等^[4]探讨B747-400F各飞行阶段的节油策略，并优化燃油消耗和碳排放的问题。王晓宇^{[5] [6]}分析飞机运行各个阶段的燃油消耗，提出了航空公司实现节油飞行的途径和方法。张伟^[7]从飞机运行各个环节出发，对经济飞行节油策略进行分析和建议。Zhang X等^[8]通过构建航空公司的节油项目体系对策，成功降低了航空燃油的成本。

本文通过分析国产民机ARJ21的飞行操作，旨在探讨民航运输中的节能减排策略，帮助航空公司在确保飞行安全的基础上，实现经济效益与环境保护的双重目标。

PART 02

飞行阶段优化

1.滑行阶段

在飞行过程中，优化地面滑行阶段是降低燃油消耗的关键环节。通过申请最佳跑道和滑行路线以及合理安排飞机启动时间，来应对空中交通管制的放行流量限制，可以有效减少地面滑行时间。

收集ARJ21飞机在ZUUU至ZLIC航线上的8次航班，并分析滑行耗油、时间和距离的数据，如表1所示。

                                             

根据表1数据结果可得图2，并进行相关性分析，得到滑行时间与燃油消耗之间存在显著的相关性，相关系数高达0.93。相反，滑行距离与燃油消耗之间并未显示出显著的相关性。这一发现表明，在ZUUU机场，ARJ21飞机在滑行阶段的平均每分钟油耗约为12kg。以本航线中数据为例，得出优化滑行时间最高可节省120kg燃油，节油潜力达整个航段耗油的3.5%。

2.起飞阶段

（1）松刹车时间优化

起飞时一般先加油门后松刹车，但实际起飞时由于国内机场跑道长度较长，多数采用先松刹车并同时加油的方式起飞。这样虽然会使得起飞长度变长，但会降低油耗。表3为统计的先松刹车后给油门的航班，使用的起飞油量，以同一航班数据为例，松刹车时间优化可节省约10kg燃油，节油潜力为整个航段耗油的0.29%。

表3 先松刹车后给油门航班统计表

（2）速度优化

在起飞阶段，飞机的速度直接影响燃油消耗。分析表明，在全推力无限制的起飞条件下，采用比适合实际温度的最佳速度更高的速度，可节省燃油。为验证这一现象，对一航空公司在同一航线上的ARJ21飞机进行了起飞阶段的数据分析。通过收集起飞时长、平均空速、地速和油耗等数据，能够准确地分析速度与油耗之间的关系，如,4所示。

由图5可得，起飞阶段速度的提高与燃油消耗的减少呈正相关关系。起飞平均空速每提高1kt（在合理范围内），起飞阶段燃油消耗量将减少约0.6kg。以本航线中数据为例，优化起飞速度最高可节省4kg燃油，节油潜力为整个航段耗油的的0.12%。

（3）灵活推力优化

在飞行过程中，起飞阶段的推力选择对燃油消耗有显著的影响。相比于全推力起飞，使用灵活推力虽然降低了初始推力，但由于这种方法增加了飞机在低空的飞行时间，实际上不会减少总的燃油消耗。对ARJ21飞机的数据进行分析，可得出起飞阶段推力大小与燃油消耗之间的具体关系，如表6所示。

由图7可得，起飞阶段的燃油消耗量随油门杆角度的增大而增加。油门杆角度每增加1度，燃油消耗量大约增加5.5%。以本航线数据为例，优化起飞灵活推力最高可节省燃油20kg，节油潜力为整个航段耗油的0.58%。同时，起飞时间随油门杆角度的增大，呈现出先增加后减少的趋势，这表明在某一油门杆角度下（本例中为67度），起飞时间达到最长。通过精确地控制推力设置，可以有效平衡起飞性能和燃油效率。

（4）收襟翼高度

一个较低的收襟翼高度将降低燃油消耗，当达到收襟翼高度时，襟翼和缝翼会缩回。这些装置是用来优化初始爬升的，但它们会增加阻力。所以，它们越早收回，飞机就能越早进入更高效的空气动力学结构。然而，ATC的限制或噪音减少的要求，可能经常无法使用较低的加速高度。

ARJ21飞机起飞阶段加速高度与燃油消耗量的数据表和数据分析图如表8、图9所示。

图9 起飞阶段起飞加速高度与燃油消耗量的数据分析

（以ZUUU-ZLIC为例）

起飞加速高度与燃油消耗量成线性关系。当起飞加速高度每增加100ft时，该阶段燃油消耗量将增加1.85kg，额外消耗约2.6%的燃油。以本航线数据为例，优化收襟翼高度最高节省燃油13kg，节油潜力为整个航段耗油的0.38%。

3.爬升阶段

（1）爬升剖面

标准爬升过程分为三个阶段进行：飞机以固定的250kt速度爬升至FL100，接着加速至预定速度（例如280kt），继续保持该速度爬升至过渡高度，最后以固定的马赫数爬升至巡航高度，如图10所示。

图10 爬升剖面

（2）最佳爬升速度

在飞行过程中，确定最优的爬升速度对于提高燃油效率至关重要。在给定的起飞重量、初始巡航高度、速度、大气条件及风向风速下，分析不同爬升速度对燃油消耗的影响。通过比较各种爬升速度下从起飞至爬升顶点的燃油消耗，可以确定最佳爬升速度。

实验选择了从1500ft以250kt速度爬升至10000ft，随后分别以260kt、280kt和300kt速度继续爬升至28600ft的巡航高度。根据得到的燃油消耗数据分析，发现在相同的商载、爬升高度和风速条件下，不同的爬升速度导致了不同的燃油消耗，如图11所示。

图11 不同爬升速度燃油消耗分析图

在相同的商载、爬升高度和风速条件下，260kt的爬升速度表现出了最佳的燃油效率。以此航线为例，选择不同的爬升速度，最高可节省燃油28kg，节油潜力为整个航段耗油的0.82%。因此，选择合适的爬升速度不仅可以提高飞行效率，还可以降低燃油成本。

4.巡航阶段

（1）优化巡航高度

在飞行过程中，飞机的最佳巡航高度是实现燃油效率最大化的关键因素。这一高度是在恒定马赫数飞行时，对于特定重量、温度和风速条件下单位航程燃油消耗最小的高度。虽然理论上，飞机应在最佳高度巡航以降低油耗，但实际飞行中，由于爬升率、推力限制（如抖振限制）或空管限制，实际飞行高度可能与最佳高度有所差异。

通过分析成都至银川航线的多个航班数据，对比计划与实际巡航高度的燃油消耗情况，可以观察到这种差异的影响。对比表12中的数据，可以发现在计划的巡航高度32100ft飞行时的燃油消耗量，普遍低于实际飞行中使用的不同巡航高度。

表12 航班计划巡航高度与实际巡航高度的耗油量

根据对表12进行分析，得出三次不同日期航班巡航高度和巡航阶段耗油计划值与实际值的对比分析图，如图13所示。

图13 计划巡航高度层与实际巡航高度层的耗油量图

由图13可知，在计划巡航高度进行巡航的航班，燃油消耗量均低于实际巡航高度的航班，以此航线为例，优化巡航高度最高可节省燃油398.5kg，节油潜力高达整个航段耗油的11.6%。因此，尽管实际飞行中可能受到空管和天气等因素的影响，飞行员应尽可能使巡航高度接近计划值，以减少燃油消耗。

5.下降阶段

（1）不同方式下降

飞机在下降阶段可以采用多种方式，每种方式对燃油消耗的影响各不相同。

1）从巡航高度以恒定表速下降至10000英尺，再以恒表速250kt下降到1500英尺结束；

2）以给定的迎角从巡航高度下降到1500英尺；

3）以最小阻力下降；

4）紧急下降。

选取前三种下降方式做耗油比较，取飞机总重31000kg从巡航高度28600英尺开始下降，四种下降方式具体的数据如表14所示。

表14 下降方式数据信息表

由表14可知，第一种下降方式相较于其他方法可节省显著的燃油，节省量最高为118.5kg，节油潜力达到整个航段耗油的3.5%。因此，在飞行规划和操作中选择最合适的下降方式对于燃油消耗的优化至关重要。

（2）选择最佳下降速度

采用了与爬升阶段相似的方法。分析从28600ft的巡航高度开始，分别以260kt、280kt和300kt的恒定表速下降至10000ft，随后以250kt的速度继续下降至1500英尺的情况。收集相应的燃油消耗数据，并通过这些数据，绘制得出图15，展示了在给定条件下，不同下降速度的燃油消耗量。

图15 不同下降速度燃油消耗分析图

由图15可得，在相同的商载、爬升高度和风速条件下，300kt的下降速度相较于其他速度更为节油，节省燃油高达18kg，节油潜力高达0.53%。

6.等待阶段

进港时飞机常需等待，尤其是在机场上空交通繁忙时。这段等待不可避免地增加了燃油消耗。在相同的飞行技术条件下，等待高度越低，燃油流量越大；高度越高，流量越小。因此，在等待飞行时，采用绿点速度和光洁构型组合是降低油耗的有效方法。

7.进近阶段

在飞机的进近阶段，采用连续下降进近（CDA）是一种有效的策略，减少飞机下降阶段的燃油消耗，降低对环境的影响和减少地面噪音。实现经济性和环保性的双重优势。

8.着陆阶段

（1）着陆襟翼配置      

在下降后，飞机需迅速准备进近着陆。为了更有效地利用燃油，应谨慎选择下降点，避免过早开始下降。进近过程中，较晚放下襟翼和起落架可以减少阻力，进而降低油耗。在着陆过程中，尽量少使用反推，以减少燃油消耗。

（2）反推力 

着陆时，使用怠速反推而非全反推，能减少燃油消耗，同时对发动机更为有益。可通过增加着陆距离来消耗飞机的动能，从而减少刹车和轮胎磨损。每次着陆时，应综合考虑操作性和经济性（例如起降襟翼的配置）。

（3）单发滑入      

在大型或繁忙的机场，飞机在跑道上的滑行时间常超过15分钟。采用单发动机滑行不仅节省燃油，也有助于降低制动单元的消耗成本，包括制动磨损和制动氧化。因此，单发滑行是一种在确保安全的同时，提高燃油和经济效率的有效做法。

PART 03

节油策略汇总

本文研究了ARJ21飞机飞行操作的节油策略，主要针对飞行员在实际运行中的八个环节进行挖掘分析，得出相应的节油策略和节油潜力。对这8个环节，共计14个节油策略进行汇总，汇总情况如表16所示。

表16 ARJ21飞机节油策略汇总表

PART 04

结束语

研究通过对ARJ21飞机滑行、起飞、爬升、巡航、下降、等待、进近及着陆等环节节油潜力进行剖析，得到了有关飞行操作各阶段的系统节油策略。从最终的分析结果可知，飞行操作节油潜力巨大，尤其是爬升、巡航和下降阶段，可为航空公司优化运营和飞行员飞行操作提供技术支持，为发展绿色航空和达到“双碳”目标贡献力量。

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