一种飞机阶梯巡航耗油量的计算方法

摘要

本公开实施例是关于一种飞机阶梯巡航耗油量的计算方法。该方法包括：利用飞机阶梯巡航时爬升段增加的高度，确定爬升段飞机增加的重力势能；根据飞机稳定平飞到预设距离，确定飞机发动机推力所做的功；根据能量守恒，飞机增加的重力势能等于爬升段因重力势能增加而消耗的燃油能量，爬升段因重力势能增加而消耗的燃油能量近似等于飞机稳定平飞到预设距离时飞机发动机推力所做的功。本公开实施例可以通过飞机阶梯巡航过程中爬升段的性能采用能量守恒的方法进行估算，将飞机阶梯巡航时爬升段增加的高度转换成航程的增加量，实现飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量的计算，降低计算过程的复杂性，提高了计算效率和计算精度。

说明书

技术领域

本公开实施例涉及航空飞行器飞行力学技术领域，尤其涉及一种飞机阶梯巡航耗油量的计算方法。

背景技术

飞机在实际的巡航飞行过程中随着燃油的消耗，飞行重量降低，从而使得有利巡航高度增加，在任务规划系统中进行燃油规划时，为了在一定的巡航距离下尽量减少燃油消耗，需考虑变高度巡航的飞行需求，往往采取阶梯巡航的方式。常规计算耗油量方法是通过运动方程和平衡方程，在巡航段性能计算过程中引入爬升段性能计算，并将计算结果计入到巡航距离中，得到巡航距离为R时的阶梯巡航耗油量。常规技术耗油量方法在实际计算中，由于爬升性能计算过程的引入，会导致计算过程复杂度、计算量严重增加，消耗的计算时间大幅增加，影响飞行计划的制定效率。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本公开的技术方案提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

发明内容

本公开实施例的目的在于提供一种飞机阶梯巡航耗油量的计算方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

本公开实施例提供了一种飞机阶梯巡航耗油量的计算方法，该方法包括：

利用飞机阶梯巡航时爬升段增加的高度，确定爬升段所述飞机增加的重力势能；

根据所述飞机稳定平飞到预设距离，确定所述飞机发动机推力所做的功；

根据能量守恒，所述飞机增加的重力势能等于所述爬升段因重力势能增加而消耗的燃油能量，所述爬升段因重力势能增加而消耗的所述燃油能量近似等于所述飞机稳定平飞到所述预设距离时所述飞机发动机推力所做的功；

基于上述能量相守恒，根据所述飞机稳定平飞时，推力与阻力相等、升力与重力相等关系，将所述飞机阶梯巡航中的所述爬升段增加的高度转换成航程的增加量，得到所述飞机阶梯巡航过程中的总巡航距离；

根据所述总巡航距离计算所述飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量。

本公开的一实施例中，所述飞机增加的重力势能为：

E

其中，m

本公开的一实施例中，所述飞机发动机推力所做的功为：

W=FΔR

其中，F为所述飞机稳定平飞时发动机的推力，ΔR

本公开的一实施例中，所述飞机增加的重力势能与所述飞机稳定平飞到所述预设距离时所述飞机发动机推力所做的功的关系为：

m

本公开的一实施例中，所述基于上述能量相守恒关系，根据所述飞机稳定平飞时，推力与阻力相等、升力与重力相等关系，将飞机阶梯巡航中的爬升段增加的高度转换成航程的增加量，得到所述飞机阶梯巡航过程中的总巡航距离的步骤包括：

引入平均升阻比，得到所述飞机稳定平飞时，所述推力与所述阻力相等、所述升力与所述重力相等关系为：

其中，D为所述飞机稳定平飞时的阻力，Y为所述飞机稳定平飞时的升力，K为平均 升阻比，

本公开的一实施例中，所述基于上述能量守恒，根据所述飞机稳定平飞时，推力与阻力相等、升力与重力相等关系，将飞机阶梯巡航中的爬升段增加的高度转换成航程的增加量，得到所述飞机阶梯巡航过程中的总巡航距离的步骤包括：

所述飞机阶梯巡航中的爬升段增加的高度转换成航程的增加量为：

ΔR

本公开的一实施例中，所述基于上述能量相守恒，根据所述飞机稳定平飞时，推力与阻力相等、升力与重力相等关系，将飞机阶梯巡航中的爬升段增加的高度转换成航程的增加量，得到所述飞机阶梯巡航过程中的总巡航距离的步骤包括：

根据所述航程的增加量和所述飞机稳定平飞巡航时的实际距离，得到所述飞机阶梯巡航过程中的总巡航距离为：

R

其中，

本公开的一实施例中，所述根据所述总巡航距离计算所述飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量的步骤包括：

通过所述飞机阶梯巡航中的爬升段增加的高度转换成航程的增加量与所述飞机阶梯巡航时爬升段的公里耗油量，得到所述飞机阶梯巡航时爬升段因高度增加所需的燃油消耗量为：

Δm

其中，Δm

本公开的一实施例中，所述根据所述总巡航距离计算所述飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量的步骤包括：

通过飞机稳定平飞巡航时的公里耗油量、飞机稳定平飞巡航时的实际距离与飞机阶梯巡航时爬升段因高度增加所需的燃油消耗量，得到所述飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量为：

m

其中，q为所述飞机稳定平飞巡航时的公里耗油量，m

本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本公开的实施例中，通过上述飞机阶梯巡航耗油量的计算方法，在飞机的任务规划系统或飞行管理系统中进行飞机燃油规划时，通过飞机阶梯巡航过程中爬升段的性能采用能量守恒的方法进行估算，将飞机阶梯巡航时爬升段增加的高度转换成航程的增加量，即将爬升过程计算转换为稳定平飞的巡航过程计算，实现飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量的计算，从而降低计算过程的复杂性，并在工程计算误差的允许范围内，大幅度降低了计算的复杂度，提高了计算效率和计算精度。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本公开示例性实施例中飞机阶梯巡航耗油量的计算方法的流程图；

图2示出本公开示例性实施例中飞机巡航飞行的常规计算方法示意图；

图3示出本公开示例性实施例中飞机阶梯巡航计算方法示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本公开实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

图2为飞机巡航飞行的常规计算方法示意图，常规计算耗油量方法是通过运动方程和平衡方程，在巡航段性能计算过程中引入爬升段性能计算，并将计算结果计入到巡航距离中，得到巡航距离为R时的阶梯巡航耗油量。常规技术耗油量方法在实际计算中，由于爬升性能计算过程的引入，会导致计算过程复杂度、计算量严重增加，消耗的计算时间大幅增加，影响飞行计划的制定效率。

本示例实施方式中提供了一种飞机阶梯巡航耗油量的计算方法。参考图1中所示，该方法包括：

利用飞机阶梯巡航时爬升段增加的高度，确定爬升段所述飞机增加的重力势能；

根据所述飞机稳定平飞到预设距离，确定所述飞机发动机推力所做的功；

根据能量守恒，所述飞机增加的重力势能等于所述爬升段因重力势能增加而消耗的燃油能量，所述爬升段因重力势能增加而消耗的所述燃油能量近似等于所述飞机稳定平飞到所述预设距离时所述飞机发动机推力所做的功；

基于上述能量相守恒，根据所述飞机稳定平飞时，推力与阻力相等、升力与重力相等关系，将所述飞机阶梯巡航中的所述爬升段增加的高度转换成航程的增加量，得到所述飞机阶梯巡航过程中的总巡航距离；

根据所述总巡航距离计算所述飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量。

通过上述飞机阶梯巡航耗油量的计算方法，在飞机的任务规划系统或飞行管理系统中进行飞机燃油规划时，通过飞机阶梯巡航过程中爬升段的性能采用能量守恒的方法进行估算，将飞机阶梯巡航时爬升段增加的高度转换成航程的增加量，即将爬升过程计算转换为稳定平飞的巡航过程计算，实现飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量的计算，从而降低计算过程的复杂性，并在工程计算误差的允许范围内，大幅度降低了计算的复杂度，提高了计算效率和计算精度。

下面，将参考图1和图3对本示例实施方式中的上述飞机阶梯巡航耗油量的计算方法的各个步骤进行更详细的说明。

在步骤S101中，利用飞机阶梯巡航时爬升段增加的高度，确定爬升段所述飞机增加的重力势能。

可选的，在一些实施例中，所述飞机增加的重力势能为：

E

其中，m

具体的，根据能量守恒，飞机在阶梯巡航过程中的爬升段高度的增加是重力势能增加的过程，此过程需要消耗更多的燃油量来去实现重力势能的增加。基于此，可根据飞机阶梯巡航时爬升段增加的高度，来确定爬升段飞机增加的重力势能，方便后续计算爬升段消耗的额外燃油量。

在步骤S102中，根据所述飞机稳定平飞到预设距离，确定所述飞机发动机推力所做的功。

可选的，在一些实施例中，所述飞机发动机推力所做的功为：

W=FΔR

其中，F为所述飞机稳定平飞时发动机的推力，ΔR

具体的，基于能量守恒，飞机在巡航过程中的爬升段因重力势能的增加而消耗的燃油能量可折算成飞机在稳定平飞预设距离时，飞机发动机推力所做的功。其中，预设距离为爬升段增加的高度转换成的航程增加量。

在步骤S103中，根据能量守恒，所述飞机增加的重力势能等于所述爬升段因重力势能增加而消耗的燃油能量，所述爬升段因重力势能增加而消耗的所述燃油能量近似等于所述飞机稳定平飞到所述预设距离时所述飞机发动机推力所做的功。

可选的，在一些实施例中，所述飞机增加的重力势能与所述飞机稳定平飞到所述预设距离时所述飞机发动机推力所做的功的关系为：

m

具体的，基于飞机阶梯巡航过程中的爬升段增加的重力势能等于爬升段高度增加消耗的燃油能量，如公式（1）所示，以及爬升段高度增加消耗的燃油能量折算飞机稳定平飞到预设距离时飞机发动机推力所做的功，如公式（2）所示，得到飞机阶梯巡航过程中的爬升段增加的重力势能近似等于飞机稳定平飞到预设距离时飞机发动机推力所做的功，如公式（3）所示。即，基于公式（1）和（2）的关系得到公式（3）。

在步骤S104中，基于上述能量相守恒，根据所述飞机稳定平飞时，推力与阻力相等、升力与重力相等关系，将所述飞机阶梯巡航中的所述爬升段增加的高度转换成航程的增加量，得到所述飞机阶梯巡航过程中的总巡航距离。

可选的，在一些实施例中，所述基于上述能量相守恒关系，根据所述飞机稳定平飞时，推力与阻力相等、升力与重力相等关系，将飞机阶梯巡航中的爬升段增加的高度转换成航程的增加量，得到所述飞机阶梯巡航过程中的总巡航距离的步骤包括：

引入平均升阻比，得到所述飞机稳定平飞时，所述推力与所述阻力相等、所述升力与所述重力相等关系为：

其中，D为所述飞机稳定平飞时的阻力，Y为所述飞机稳定平飞时的升力，K为平均 升阻比，

具体的，飞机稳定平飞时，推力与阻力相等、升力与重力相等关系，引入平均升阻比，方便飞机阶梯巡航中的爬升段高度的增加转换成航程的增加量的计算。

可选的，在一些实施例中，所述基于上述能量相守恒，根据所述飞机稳定平飞时，推力与阻力相等、升力与重力相等关系，将飞机阶梯巡航中的爬升段转换成航程的增加量，得到所述飞机阶梯巡航过程中的总巡航距离的步骤包括：

所述飞机阶梯巡航中的爬升段增加的高度转换成航程的增加量为：

ΔR

具体的，基于公式（1）、（2）、（3）和（4），得到飞机阶梯巡航中的爬升段高度的增加转换成航程的增加量，飞机阶梯巡航中的爬升段高度的增加转换成航程的增加量如公式（5）所示。

可选的，在一些实施例中，所述基于上述能量相守恒，根据所述飞机稳定平飞时，推力与阻力相等、升力与重力相等关系，将飞机阶梯巡航中的爬升段增加的高度转换成航程的增加量，得到所述飞机阶梯巡航过程中的总巡航距离的步骤包括：

根据所述航程的增加量和所述飞机稳定平飞巡航时的实际距离，得到所述飞机阶梯巡航过程中的总巡航距离为：

R

其中，

具体的，飞机稳定平飞巡航时的实际距离和飞机阶梯巡航过程中爬升段的高度增加量转换成的航程的增加量，得到飞机阶梯巡航过程中实际的总巡航距离。

在步骤S105中，根据所述总巡航距离计算所述飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量。

可选的，在一些实施例中，所述根据所述总巡航距离计算所述飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量的步骤包括：

通过所述飞机阶梯巡航中的爬升段增加的高度转换成航程的增加量与所述飞机阶梯巡航时爬升段的公里耗油量，得到所述飞机阶梯巡航时爬升段因高度增加而的燃油消耗量为：

Δm

其中，Δm

具体的，根据飞机阶梯巡航时爬升段的公里耗油量和航程的增加量关系，得到飞机阶梯巡航时爬升段的燃油消耗量，其中，飞机阶梯巡航时爬升段的公里耗油量近似采用巡航时的公里耗油量。

可选的，在一些实施例中，所述根据所述总巡航距离计算所述飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量的步骤包括：

通过飞机稳定平飞巡航时的公里耗油量、飞机稳定平飞巡航时的实际距离与飞机阶梯巡航时爬升段因高度增加所需的燃油消耗量，得到所述飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量为：

m

其中，q为所述飞机稳定平飞巡航时的公里耗油量，m

具体的，飞机稳定平飞巡航时的耗油耗量再加上飞机阶梯巡航时爬升段的燃油消耗量，得到飞机阶梯巡航时的实际燃油消耗总量。

通过上述飞机阶梯巡航耗油量的计算方法，在飞机的任务规划系统或飞行管理系统中进行飞机燃油规划时，通过飞机阶梯巡航过程中爬升段的性能采用能量守恒的方法进行估算，将飞机阶梯巡航时爬升段增加的高度转换成航程的增加量，即将爬升过程计算转换为稳定平飞的巡航过程计算，实现飞机阶梯巡航时的燃油消耗总量的计算，从而降低计算过程的复杂性，并在工程计算误差的允许范围内，大幅度降低了计算的复杂度，提高了计算效率和计算精度。

下面通过实施例对上述方法做进一步说明。

实施例1：已知飞机巡航速度800km/h，初始巡航重量200t，计算飞机采用阶梯巡航的方式，巡航飞行3000km距离所需的耗油量，其中阶梯巡航的巡航重量、高度划分、平均升阻比和公里耗油量数据见表1。

表1 巡航段的平均升阻比及公里耗油量

（1）在9000m高度，重量200t时的公里耗油10kg/km，重量190t时的公里耗油9.7kg/km，故飞机消耗10t燃油获得的平飞距离为：

10×1000/（10/2+9.7/2）=1015km；

（2）从8900m爬升至9500m高度增加折算成水平距离为：

△h×K=（9500-8900）/1000×20=12km

由8900m爬升至9600m的高度增加折算成燃油消耗量为：

10×（10+9.7）/2=99kg=0.118t

飞机在第一个巡航段消耗的折算耗油量为：10+0.118=10.118t

飞机在第一个巡航段结束爬升至9600m高度时的重量为200-10.118=189.882t

（3）飞机在9500m高度开始第二巡航段巡航的初始重量为189.882t，此时的公里耗油量约为9.6kg/km，重量180t时的公里耗油9.2kg/km，故飞机消耗189.882-180=9.882t燃油获得的平飞距离为

9.882×1000/（9.6/2+9.2/2）=1051km；

此时巡航距离累计为：1015+1051=2066km

（4）飞机在第二巡航段结束从9500m爬升至10100m高度折算成水平距离为：

△h×K=（10100-9500）/1000×21=12.6km

由8900m爬升至9600m的高度增加折算成燃油消耗量为：12.6×（9.6/2+9.2/2）=94kg=0.094t

飞机在第二个巡航段消耗的折算耗油量为：9.882+0.118=10t

此时飞机的重量为：189.882-10=179.882t

（5）飞机在10100m高度开始第三巡航段时的初始巡航重量为179.882t，此时的公里耗油约为9.2kg/km，距离巡航终点的距离为3000-2066=934km，假设巡航结束时的重量约为170t，则对应的公里耗油量为9.2kg/km，则巡航距离934km所需的耗油量为：

934*（9.2/2+8.8/2）=8406kg=8.406t

（6）最终计算得到按要求进行阶梯巡航的巡航距离3000km所需的总的耗油量为：

10.118+10+8.406=28.524t

实施例2：已知飞机巡逻速度500km/h，巡逻高度8900m～11300m，初始巡逻重量30t，巡逻任务燃油量10t，巡逻段的划分和经过计算得到的各段的平均升阻比、平均小时油耗等条件见下表2。求飞机的巡逻时间。

表2 巡逻段的平均升阻比及平均小时油耗

求解步骤如下：

（1）将第1巡逻段到第2巡逻段的爬升高度：9500-8900=600m折算为巡逻距离：

（9500-8900）/1000*（15.5+16）/2=9.45km

以巡逻速度500km/h飞行该距离所需耗油量：9.45/500*1.3=0.025t

第1巡逻段有效巡逻燃油为：30-28-0.025=1.975t；

第1巡逻段巡逻时间为：1.975/1.3=1.519h；

（2）将第2巡逻段到第3巡逻段的爬升高度：10100-9500-600m折算为巡逻距离：

（10100-9500）/1000*（16+15.7）/2=9.51km

以巡逻速度500km/h飞行该距离所需耗油量：9.51/500*1.24=0.024t

第2巡逻段有效巡逻燃油为：28-26-0.024=1.976t；

第2巡逻段时间为：1.976/1.24=1.594h；

（3）按（1）、（2）中的步骤可以求得第3、4段巡航时间分别为： 1.706h、1.834h；

（4）第5段巡逻段不包含爬升段，巡逻时间为（22-20）/0.98=2.041h；

（5）总巡逻时间为：1.519+1.594+1.706+1.834+2.041=8.694h。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。