基于经济性与排放量的民航运输机下一代飞行轨迹优化方法研究

With the rapid development of civil aviation transportation, the economy and environmental impact of the transport achieve more and more attention. And the limited route resource strongly restricts the development of airline business. Recently, for the next-generation air transportation system, it has become the research focus that the flight trajectory optimization is used to reduce the environmental impacts, to utilize the airspace rationally and to alleviate the economy pressure. Present researches mainly optimize the trajectory of civil transport aircraft for the minimum fuel consumption. This study focuses on the flight profile continuity characteristics of the next-generation flight envelop. The relationship of flight trajectory with economy, emission and other performances will be researched. And the variations of the airplane economy and the total greenhouse gas emission will be analyzed as flight trajectories change, in consideration of the total greenhouse impacts of carbon dioxide、nitrogen oxide and water. A new efficient variable-fidelity optimization strategy of flight trajectory will be studied. For the next-generation trajectory of the civil aviation transport, the multi-objective trajectory optimization method will be explored to reduce the cost and emissions. It will make a firm foundation for the future study on the civil aviation transport trajectory and provide technical reserves for the development of our new civil air transport systems.

随着民用航空运输业的迅猛发展，运输机的经济性与环保性受到越来越多的关注，有限的航线资源对航空业的发展有着很强的制约作用。面向下一代航空运输系统，通过飞行轨迹优化，合理利用空域、缓解经济压力、提高环保性能成为当今研究热点。目前的民航运输机轨迹优化研究主要是以减少油耗为优化目标，本项目将针对航空运输机下一代飞行剖面连续性的特点，综合分析二氧化碳、氮氧化物和水产生的温室效应影响，研究飞行轨迹与经济性、排放量等特性之间的关联关系；分析总结飞机经济性、总温室气体排放量随飞行轨迹的变化规律；研究新的高效的飞行轨迹变精度优化策略；探索以经济性与排放量为目标的民航运输机下一代飞行轨迹多目标优化方法。为未来民航运输机的飞行轨迹研究奠定良好基础，为我国新航空运输系统的发展提供技术储备。

随着民用航空运输业的迅猛发展，运输机的经济性与环保性受到越来越多的关注，有限的航线资源对航空业的发展有着很强的制约作用。面向下一代航空运输系统，通过飞行轨迹优化，合理利用空域、缓解经济压力、提高环保性能成为当今研究热点。传统的民航运输机轨迹优化研究主要是以减少油耗为优化目标，本项目针对航空运输机下一代飞行剖面连续性的特点，以全球增温潜能值为指标综合分析了二氧化碳、氮氧化物和水产生的温室效应影响，研究了飞行轨迹与经济性、排放量等特性之间的关联关系；分析总结了飞机经济性、总温室气体排放量随飞行轨迹的变化规律；研究了新的高效的飞行轨迹变精度优化策略；探索了以经济性与排放量为目标的民航运输机下一代飞行轨迹多目标优化方法。. 经过比较基于下一代剖面模型和基于标准剖面模型的轨迹优化结果，以经济性为目标时，基于下一代剖面模型的最优解比标准剖面减少了3%；以排放量为目标时，基于下一代剖面模型的最优解比标准剖面小28.8%。这是由于基于下一代剖面模式有更大范围的优化区间，表明下一代剖面模式有明显的环保性优势。以直接使用成本为目标时，最优飞行轨迹中油门系数是最大的，相应的飞行速度也最大，所以飞行时间最短。由于H2O和NOx折合成CO2温室气体的系数和飞行高度一定范围内呈正相关关系，所以以排放量为目标的优化轨迹巡航高度会低于以直接使用成本为目标的巡航高度。新的变精度混合飞行轨迹优化方法，克服了经典优化算法和智能优化算法的收敛速度和精度不能兼顾的缺点。. 本研究为未来民航运输机的飞行轨迹研究奠定了一定基础，为我国新航空运输系统的发展提供了技术储备。